EP0656819B1 - Verfahren und vorrichtung zum giessen von bauteilen - Google Patents

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EP0656819B1
EP0656819B1 EP94918839A EP94918839A EP0656819B1 EP 0656819 B1 EP0656819 B1 EP 0656819B1 EP 94918839 A EP94918839 A EP 94918839A EP 94918839 A EP94918839 A EP 94918839A EP 0656819 B1 EP0656819 B1 EP 0656819B1
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EP
European Patent Office
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casting
mould
melt
container
ingate
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94918839A
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English (en)
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EP0656819A1 (de
Inventor
Friedhelm Kahn
Joachim Kahn
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Kahn Friedhelm Prof Dr-Ing
Original Assignee
Kahn Friedhelm Prof Dr-Ing
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Publication date
Application filed by Kahn Friedhelm Prof Dr-Ing filed Critical Kahn Friedhelm Prof Dr-Ing
Priority to DE9421585U priority Critical patent/DE9421585U1/de
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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
    • 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
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B22D23/006—Casting by filling the mould through rotation of the mould together with a molten metal holding recipient, about a common axis
    • 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
    • B22D27/003—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using inert gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for casting Components, made of metal alloys according to the tilting principle according to the respective Generic term of independent claims 1, 3 and 15.
  • the liquid material state is a variety of different processes and devices known that more or less resemble a high quality Workpiece requirements with regard to freedom of design, Surface quality and in particular optimal material properties to reach.
  • the main difficulties initially lie in the mold filling process, the initially compact melt volume divided and a large one Surface is exposed to the attack of the air atmosphere, which by appropriate Reactions lead to an impairment of the material quality.
  • Molten metal alloys, their Alloy components have a high reactivity with the oxygen, Have nitrogen and water vapor in the air. It became like this early on sensitive alloys, for example the Durville tipping process applied.
  • DE-PS 377 683 proposes a method in which an elongated Casting vessel numerous castings are made in succession.
  • the melt container is erected, which limits one higher metallostatic pressure can be achieved.
  • the Atmosphere free access to the melt, so that especially as it progresses easily drain oxide from the bath surface into the mold cavity can reach.
  • a direct remains during the solidification of the casting
  • DE-PS 505 224 describes a method in which on a similar one Swing arranged casting container two molds are mounted, which alternate be filled with melt. Here, too, the air has free access to the melt pool with a large surface, so that the impurities present here can easily get into the mold.
  • DE-PS 21 64 755 describes a high-performance casting process for large series, in which the disadvantages of the aforementioned proposals largely could be eliminated.
  • the solidification process in the casting mold usually occurs through volume contraction and gas excretion cavities and pores in the component structure must be combated with considerable effort.
  • the shrinking processes also locally lead to the formation of gaps between the cast wall and mold wall surfaces, which significantly affects the heat transfer, what also has negative repercussions on the structure quality and also Sink marks on the casting surface that make the component unusable do.
  • GB 2 080 714 A describes a method and an apparatus of the type described in the introduction.
  • the device comprises a Pouring canister, which during the implementation of the process of a mold cavity through a channel with an elongated constriction is separated, with at least the after tilting in oxide skin located in a feeder head is washed into the casting will be.
  • the mold filling controlled in the sense of throttling, whereby a layered mold filling is not possible.
  • the flow paths of the melt from the gate the channel with the constriction and the feeder head are in relation to the casting size very long and affect the Melt quality considerably due to reactions and temperature losses, which greatly reduces the mold filling and fluidity becomes.
  • the object of the present invention is, using novel methods and a new type of pouring device for high-quality component production to create necessary favorable conditions, both when filling the mold as well as during the solidification of the castings, at the same time a special one to enable rational manufacturing and thereby the disadvantages of the above Avoid procedures and devices. Turbulence and Distribution of the melt during mold filling can be avoided. After a Further tasks are the reactions of the alloy melt with the Gases of the atmosphere and the mold cavity are prevented. After a Another advanced task is preferably a sharp-contoured filling achieved and an optimally fine-grained and dense component structure during the Solidification process can be ensured.
  • the gate creates the direct connection between the casting container and the mold cavity and should be such that a throttling or Swirling of the melt when overflowing can be avoided. Its big Cross section based on the cross section of the cut mold cavity or the adjacent mold wall parts of the component can after a first Approach over 40%, especially over 50% of the latter cross-sectional areas be.
  • the large cross section related to the cross section of the cut mold cavity or the cross section of the adjacent mold wall parts extends according to the invention over essentially the entire length of the latter areas.
  • the gate communicates here each with the deepest parts of the mold cavity or the mold wall part before turning. Only their cross-sectional areas parallel to the gate cross-section are referred to as cut surfaces on which the relative dimensioning of the gate.
  • the process is peculiar to that for a casting process one corresponding to the gross volume of the melt quantity for a casting Quantity is poured into the casting tank during the casting process completely solidified, with only a small volume fraction of the melt, the the feeder volume forms, in the gate itself or, if necessary, in small quantities remains in the casting tank.
  • a quantity corresponding to the melting quantity becomes fixed metal volume introduced into the casting tank, first then the sealing connection between the casting container and the casting mold and the interior was purged with protective gas, whereupon the melt quantum is melted for a cast in the casting container. Otherwise runs the procedure unchanged. Here, too, the oxidation processes liquid phase effectively avoided.
  • an increase in pressure of the protective gas is carried out during made of the solidification process, whereby the feed volume and thus the Use of metal can be reduced because of the overpressure on the melt level the otherwise usual metallostatic pressure of high-reaching feeders replaced.
  • the risk of contamination and the inclusions in the casting excluded in that Comparison to the adjacent component surface or the cut part of the mold cavity, a large gate cross section is provided, or that a compared to the size of the casting or the mold cavity in the direction of Long gating axis of rotation is provided. This results in a calm overflow, preferably completely under the bath level from the casting container into the casting mold, so that a faultless casting is created.
  • the gate with a large cross-section is with the pouring channel or barrel identical and at the same time represents the volume of feeder. It forms the immediate one Connection between the interior of the casting container and the mold cavity.
  • the mold cavity for an elongated component is aligned in the direction of the axis of rotation. This enables a wide melt front to be represented.
  • Another design is that the cores lie towards the casting container are arranged. As a result, the cut mold wall parts themselves reduced to end wall parts of the component to improve the quality.
  • the solidification should be carried out in a known manner, if necessary by heating and / or Cooling can be controlled so that it is the most distant from the casting tank Position of the component progresses towards the gate.
  • a further overflow channel becomes parallel intended for gate, so that initially a gas or air volume compensation can take place to avoid foaming.
  • an increased, in particular variable, protective gas pressure during the solidification very special advantages.
  • a strong increase in gas pressure mainly due to the melt level at the end of the mold filling acts below which the feed volume of the casting is, can Appropriate increase of the feed pressure is achieved and thus a substantial Sealing feed of the cast structure can be forced.
  • a vigorously pressing the cast part surfaces against the mold walls and through Prevention of the harmful gap formation an increased heat transfer causes.
  • Improvements can also be made in the use of inert gas.
  • the application A protective gas pump not only allows the application of several bar pressure, it also allows for a subsequent pressure reduction Recovery of the protective gas. This way the losses stay up unavoidable leakage is limited.
  • the proposed methods offer ideal conditions for use in a casting cell sealed off from the outside world reliable prevention of foundry emissions.
  • a casting mold 31 (mold) is with a mold cavity 1 through a mold cover plate 2, side parts 3, Cores 4 and a mold base plate 5 are formed.
  • a casting container 30 with a housing 6 and one Refractory lining 7, which is a melt quantum 8 metered for a casting contains.
  • the melt quantum 8 is with the help of a not shown Dosing furnace in particular through the filling opening 9 with the closure 10 open filled under protective gas; then the shutter 10 is closed.
  • a protective gas connection 11 is shown on the closure 10.
  • the horizontal is in the direction of the longitudinal extent of Casting mold 31 and casting container 30 extending axis of rotation 12 of the casting device shown.
  • As an opening within the mold base plate 5 is a Bleed 13 formed with a large cross section.
  • An arrow above the mold cover plate 2 symbolizes the direction of movement the same for demolding the finished component.
  • the mold 31 with the mold cavity 1 can also be seen in FIG. 2, those from the mold cover plate 2, side parts 3, cores 4 and the mold base plate 5 exists.
  • the base plate 5 In the base plate 5 are the gate 13 and a parallel further overflow channel 14 can be seen.
  • the housing 6 On the casting container 30 is the housing 6, the refractory lining 7 and the contained therein for a casting metered melt quantum 8 recognizable.
  • FIG. 3 shows a rotatable casting device 19 with a rotary drive 27 and a casting container 30 and a casting mold 31 connecting them Bracing means 32 shown within a casting cell 21.
  • the axis of rotation 12 the pouring device is also shown.
  • the casting container 30 is over a line 26 with a pump and storage system shown only symbolically 18, 28 connected.
  • a metering furnace is located within the casting cell 21 15, which has an elastic gas-tight coupling 23 with the filling opening 9 of the casting container 30 is connected.
  • the metering oven 15 is a Lock 22 connected to an area outside the casting cell 21.
  • To the Lock 22 can alternatively be a charging device 16 for lumpy Feed material or a charging device 17 for liquid feed material connect.
  • the casting cell comprises a further lock 22. Above the mold 31, a manipulator 20 for cores can be seen.
  • FIG. 4 shows a casting device consisting of a casting container 30 and a mold 31 shown.
  • the casting container 30 differs from that shown in FIG. 1 in that that it has no fill opening. However, it points within the refractory layer 7 means for heating 24.
  • a solid metal quatum 25 is in the Casting container 30 used. Corresponds in cross section perpendicular to the axis of rotation 12 this pouring device shown in Figure 2.
  • the casting mold 31 essentially corresponds to that shown in FIG. 1. It comprises a mold cover plate 2, mold side parts 3 and one Mold base plate 5. However, means 29 for cooling are in the side parts shown. Cores 4 are used in the mold. The axis of rotation of the device is designated 12.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Bauteilen, aus Metallegierungen nach dem Kippgießprinzip gemäß dem jeweiligen Gattungsbegriff der unabhängigen Patentansprüche 1, 3 und 15. Bei der Formgebung von Bauteilen aus dem flüssigen Werkstoffzustand sind eine Vielzahl unterschiedlichster Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die mehr oder weniger die an ein hochwertiges Werkstück zu stellenden Anforderungen im Hinblick auf Gestaltungsfreizügigkeit, Oberflächgüte und insbesondere optimale Werkstoffeigenschaften erreichen. Die Hauptschwierigkeiten liegen zunächst beim Formfüllvorgang, wobei das anfangs kompakte Schmelzevolumen aufgeteilt und eine große Oberfläche dem Angriff der Luftatmosphäre ausgesetzt wird, was durch entsprechende Reaktionen zu einer Beeinträchtigung der Werkstoffqualität führt. Besonders betroffen sind hiervon geschmolzene Metallegierungen, deren Legierungsbestandteile ein hohes Reaktionsvermögen mit dem Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf der Luft besitzen. So wurde schon früh für derart empfindliche Legierungen das Kippgießverfahren beispielsweise nach Durville angewendet.
Die DE-PS 377 683 schlägt ein Verfahren vor, bei dem aus einem länglichen Gießgefäß nacheinander zahlreiche Gußstücke hergestellt werden. Beim Gießvorgang wird der Schmelzebehälter aufgerichtet, wodurch ein beschränkt höherer metallostatischer Druck erzielt werden kann. Hierbei hat jedoch die Atmosphäre freien Zutritt zur Schmelze, so daß insbesondere bei fortschreitender Entleerung leicht Oxid von der Badoberfläche in den Formhohlraum gelangen kann. Während der Erstarrung des Gußteils bleibt eine direkte Verbindung mit dem großen Schmelzevorrat im Gießbehälter bestehen, so daß der Erstarrungsablauf verlangsamt wird.
Die DE-PS 505 224 beschreibt ein Verfahren, bei dem auf einem ähnlich einer Schaukel angeordneten Gießbehälter zwei Gießformen montiert sind, die abwechselnd mit Schmelze gefüllt werden. Auch hier hat die Luft freien Zutritt zum Schmelzebad mit großer Oberfläche, so daß die hier vorhandenen Verunreinigungen besonders leicht in die Gießform gelangen können.
Die DE-PS 21 64 755 beschreibt ein Hochleistungsgießverfahren für Großserien, bei dem zwar die Nachteile der vorgenannten Vorschläge weitgehend beseitigt werden konnten. Dagegen wird jedoch ein hoher technischer Aufwand erforderlich, der insbesondere bei Störungen an einer einzelnen Gießform alle anderen mit beeinträchtigt.
Beim Erstarrungsablauf in der Gießform treten in der Regel durch Volumenkontraktion und Gasausscheidungen Lunker und Poren im Bauteilgefüge auf, die mit erheblichem Aufwand bekämpft werden müssen. Die Schrumpfungsvorgänge führen auch örtlich zu Spaltbildungen zwischen den Gußwand- und Formwandoberflächen, wodurch der Wärmeübergang erheblich beeinträchtigt wird, was ebenfalls negative Rückwirkungen auf die Gefügequalität hat und auch zu Einfallstellen an der Gußoberfläche führt, die das Bauteil unbrauchbar machen.
Die GB 2 080 714 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art. Die Vorrichtung umfaßt einen Gießbehälter, der während der Durchführung des Verfahrens von einem Formhohlraum durch einen Kanal mit einer länglichen Engstelle getrennt ist, wobei zumindest die nach dem Kippen in einem Speiserkopf befindliche Oxidhaut ins Gußstück eingespült werden wird. Durch die Ausbildung der Engstelle wird die Formfüllung im Sinne einer Drosselung gesteuert, wodurch eine schichtende Formfüllung nicht möglich ist. In der Engstelle treten hohe Strömungsgeschwindigkeiten mit Turbulenzen und Oxidverwirbelungen auf und es besteht die Gefahr von Auswaschungen und Metallansätzen. Die Fließwege der Schmelze vom Einguß durch den Kanal mit der Engstelle und den Speiserkopf sind im Verhältnis zur Gußstückgröße sehr lang und beeinträchtigen die Schmelzequalität durch Reaktionen und Temperaturverluste erheblich, wodurch das Formfüll- und Fließvermögen stark reduziert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, mit Hilfe neuartiger Verfahren und einer neuartigen Gießeinrichtung für eine hochwertige Bauteilproduktion erforderliche günstige Bedingungen zu schaffen, sowohl bei der Formfüllung als auch während der Erstarrung der Gußteile, gleichzeitig eine besonders rationelle Fertigung zu ermöglichen und dabei die Nachteile der oben genannten Verfahren und Vorrichtungen zu vermeiden. Hierbei sollen Turbulenzen und Aufteilung der Schmelze während der Formfüllung vermieden werden. Nach einer weiterführenden Aufgabe sollen die Reaktionen der Legierungsschmelze mit den Gasen der Atmosphäre und des Formhohlraums unterbunden werden. Nach einer anderen weiterführenden Aufgabe soll bevorzugt eine konturenscharfe Füllung erzielt sowie ein optimal feinkörniges und dichtes Bauteilgefüge während des Erstarrungsablaufs sichergestellt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden Verfahren und eine geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen, hierbei wird ein verschließbarer Behälter für die Schmelze über einen großen Anschnittquerschnitt mit dem Hohlraum einer anfangs über dem Behälter liegenden Gießform verbunden.
Der Anschnitt stellt die unmittelbare Verbindung zwischen dem Gießbehälter und dem Formhohlraum dar und soll so bemessen sein, daß eine Drosselung oder Verwirbelung der Schmelze beim Überströmen vermieden werden. Sein großer Querschnitt bezogen auf den Querschnitt des angeschnittenen Formhohlraums bzw. der angrenzenden Formwandteile des Bauteils kann nach einem ersten Ansatz über 40 %, insbesondere über 50 % der letztgenannten Querschnittsflächen betragen. Der große Querschnitt bezogen auf den Querschnitt des angeschnittenen Formhohlraums bzw. den Querschnitt der angrenzenden Formwandteile erstreckt sich erfindungsgemäß über im wesentlichen die gesamte Länge der letztgenannten Flächen. Der Anschnitt kommuniziert hierbei jeweils mit den tiefstliegenden Teilen des Formhohlraums bzw. des Formwandteils vor dem Drehen. Nur deren Querschnittsflächen parallel zum Anschnittsquerschnitt werden als angeschnittene Flächen bezeichnet, auf die bei der relativen Bemessung des Anschnitts Bezug genommen wird.
Bevorzugt wird zunächst mit Schutzgas gespült, dann mit einem dosierten Schmelzequantum unter Schutzgas gefüllt und gasdicht verschlossen, danach der Behälter mit der Gießform so um eine horizontale Achse gedreht, daß die Schmelze ohne vorlaufende Zungen oder Spritzer in die Form befördert wird.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren wird hierbei eine Erhöhung des Gasdrucks - insbesondere Schutzgasdrucks - während des Formfüllvorgangs und/oder des Erstarrungsablaufs vorgenommen. Günstig ist es hierbei, wenn das Schutzgas bei der anschließenden Entspannung zurückgewonnen wird.
Den Verfahren ist zu eigen, daß jeweils für einen Gießvorgang eine dem Bruttovolumen des Schmelzequantums für ein Gußteil entsprechende Menge in den Gießbehälter eingebracht wird, die beim Gießvorgang gänzlich erstarrt, wobei nur ein geringer Volumenanteil der Schmelze, der das Speiservolumen bildet, im Anschnitt selber oder ggfs. in geringer Menge im Gießbehälter verbleibt.
Zur Vermeidung der Oxidationsvorgänge wird nach einer bevorzugten Ausführung bereits der Gießbehälter unter Schutzgas mit flüssiger Schmelze gefüllt, wobei die Schutzgasbeaufschlagung während des Drehens des Gießbehälters mit der Gießform aufrechterhalten bleibt.
Nach einer hierzu alternativen Ausführung wird ein dem Schmelzequantum entsprechendes festes Metallvolumen in den Gießbehälter eingebracht, erst danach die abdichtende Verbindung zwischen Gießbehälter und Gießform hergestellt und der Innenraum mit Schutzgas gespült, woraufhin dann das Schmelzequantum für einen Abguß im Gießbehälter erschmolzen wird. Im übrigen läuft das Verfahren unverändert ab. Auch hierbei werden Oxidationsvorgänge der flüssigen Phase wirksam vermieden.
Zur Verbesserung des Gefüges wird eine Druckerhöhung des Schutzgases während des Erstarrungsablaufs vorgenommen, wodurch das Speiservolumen und damit der Einsatz an Metall verringert werden kann, da der Überdruck auf dem Schmelzespiegel im Gießbehälter den ansonsten üblichen metallostatischen Druck von hochreichenden Speisern ersetzt.
Zur Verbesserung der Gußteile wird bei weniger oxidationsfreudigen oder -gefährdeten Legierungen auf den Einsatz von Schutzgas verzichtet, im übrigen aber der zuletzt beschriebene Verfahrensablauf mit einer Erhöhung des Druckes im Innenraum des Gießbehälters beim Formfüllvorgang und/oder beim Erstarrungsablauf vorgenommen, um die gleichen Wirkungen eines verringerten Materialeinsatzes und einer verbesserten Gefüge- und Oberflächenqualität des Gußteils herbeizuführen.
Hierbei ist es nach alternativen Verfahrensführungen möglich, entweder das Schmelzequantum in flüssiger Form in den Gießbehälter einzubringen, oder in fester Form und anschließend im Gießbehälter zu erschmelzen. Im übrigen wird das Verfahren unverändert gegenüber dem zuvorgenannten durchgeführt.
Nach einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren zur Verbesserung von Gußteilen, die aufgrund der verwendeten Legierungen und/oder der Formgebung weniger zu Lunkerbildung und zu Einfallstellen neigen, wird das Verfahren ohne Aufbau eines Überdrucks durchgeführt, wobei jedoch im Anschnitt und vorzugsweise in einem Teil des Gießbehälters Schmelze im erforderlichen Maße nach dem Drehen stehenbleibt, um einen metallostatischen Druck zu erzeugen.
Auch hierbei ist es nach alternativen Verfahrensführungen möglich, entweder das Schmelzequantum in flüssiger Form in den Gießbehälter einzubringen, oder in fester Form und anschließend im Gießbehälter zu erschmelzen. Im übrigen wird das Verfahren unverändert gegenüber dem zuvorgenannten durchgeführt.
Nach den erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere die Gefahr der Verunreinigungen und der Einschlüsse im Gußteil dadurch ausgeschlossen, daß im Vergleich zur anliegenden Bauteiloberfläche bzw. zum angeschnittenen Teil des Formhohlraums ein großer Anschnittquerschnitt vorgesehen wird, bzw. daß ein im Vergleich zur Gußteilgröße bzw. zum Formhohlraum in Richtung der Drehachse langer Anschnitt vorgesehen wird. Es ergibt sich hierdurch ein ruhiges, bevorzugterweise ganz unter dem Badspiegel liegendes Überströmen aus dem Gießbehälter in die Gießform, so daß ein fehlerfreies Gußteil entsteht.
Der Anschnitt mit großem Querschnitt ist mit dem Eingießkanal bzw. Lauf identisch und stellt zugleich das Speiservolumen dar. Er bildet die unmittelbare Verbindung zwischen Innenraum des Gießbehälters und Formhohlraum.
Weitere Ausgestaltungen zeichnen sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Bei der Überführung einer dosierten Schmelzemenge von einem Dosierofen in den Gießbehälter der Einrichtung unter Schutzgasatmosphäre wird eine Oxidation der Schmelze wirkungsvoll unterbunden. Diese ist umso bedeutsamer, da bei diesem Vorgang der Gießstrahl im freien Fall in den Gießbehälter gelangt, wobei hier nicht wie bei konventioneller Arbeitsweise eine besonders intensive Oxidhautbildung unter ständigem Abreißen, Einspülen und Verwirbeln in der Schmelze erfolgt. Die dann durch die Drehbewegung der Einrichtung einsetzende Formfüllung kann aufgrund der vorgegebenen großen Anschnittquerschnitte besonders ruhig und mit geringer Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze steigend nach dem Prinzip kommunizierender Röhren ablaufen, was insbesondere in Verbindung mit einer auch im Formhohlraum vorhandenen Schutzgasatmosphäre das Risiko einer Schaumbildung, die bekanntlich zu Einschlüssen im Gußgefüge führt, wirkungsvoll eliminiert. Dabei bleibt auch die Schmelzefront geschlossen, d. h. es kommt nicht zur Bildung vorlaufender Metallzungen oder gar Spritzern, so daß auch der beim Gießen als häufige Ausschußursache gefürchtete Kaltlauf vermieden wird.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Formhohlraum für ein längliches Bauteil in Richtung der Drehachse ausgerichtet wird. Hierdurch kann eine breite Schmelzefront dargestellt werden.
Eine weitere Gestaltung geht dahin, daß Kerne zum Gießbehälter hin liegend angeordnet sind. Hierdurch werden die angeschnittenen Formwandteile selber zur Verbesserung der Qualität auf Stirnwandteile des Bauteils reduziert.
Bei Gußteilen wie Zylinderköpfen oder Zylinderkurbelgehäusen von Brennkraftmaschinen sollen die Oberflächen mit hohen Qualitätsansprüchen jeweils an einer zum Anschnitt gegenüberliegenden Formwand angeordnet sein.
Die Erstarrung soll in bekannter Weise gegebenenfalls durch Erwärmung und/oder Kühlung so gesteuert werden, daß sie von der vom Gießbehälter weitestentfernten Stelle des Bauteils in Richtung zum Anschnitt hin fortschreitet.
Nach einer bevorzugten Ausführung wird ein weiterer Überströmkanal parallel zum Anschnitt vorgesehen, so daß anfangs ein Gas- bzw. Luftvolumenausgleich zur Vermeidung von Schaumbildung stattfinden kann.
Durch die enge Ankopplung des Gießbehälters an den Formhohlraum werden extrem kurze Fließwege realisiert. Die Schmelze erreicht auf kürzestem Weg ihre entgültige Position, kühlt rasch ab und erstarrt. Damit ist der "Kanalisierungseffekt", der bei herkömmlichen Formfüllvorgängen durch langandauerndes Nach- oder Durchfließen in bestimmten Bereichen der Form auftritt, ausgeschaltet.
Weitere Auswirkungen haben diese Vorteile auch beim anschließenden Erstarrungsablauf. Zunächst wird der Wärmehaushalt der Gießform durch den Wegfall stark ausgeprägter Kanalisierungseffekte, die entsprechende örtliche Überhitzungen sowohl im Gußteil, als auch in den angrenzenden Formwandbereichen verursachen, weit weniger gestört, so daß eine gezielte Lenkung der Erstarrung begünstigt wird.
Weiterhin bietet ein erhöhter, insbesondere variabler Schutzgasdruck während der Erstarrung ganz besondere Vorteile. Durch eine starke Gasdruckerhöhung, die hauptsächlich auf den am Ende der Formfüllung oben liegenden Schmelzespiegel einwirkt, unter dem das Speiservolumen des Gußteils liegt, kann eine entsprechende Verstärkung des Speiserdrucks erzielt und damit eine weitgehende Dichtspeisung des Gußgefüges erzwungen werden. Gleichzeitig wird ein kräftiges Anpressen der Gußteiloberflächen an die Formwände und durch Verhinderung der schädlichen Spaltbildung ein verstärkter Wärmeübergang bewirkt.
Dies wiederum verkürzt die Erstarrungszeit und erhöht sowohl die Konturenschärfe als auch die Maßgenauigkeit der Gußteile. Darüberhinaus wird ebenfalls die Bildung der besonders bei Legierungen mit breitem Erstarrungintervall gefürchteten Einfallstellen an der Gußoberfläche ausgeschaltet. Hierbei kann die Erhöhung des Gasdrucks weit über die bei herkömmlichen Verfahren, z. B. Niederdruck-Gießverfahren, möglichen Drücke aufgrund der Beschränkung auf das vergleichsweise geringe Volumen eines einzelnen Abgusses hinausgehen. Durch den zusätzlichen Einsatz der bekannten Schwell-Sequenzkühlung (DE-PS 26 46 060) werden die angesprochenen Verbesserungen in optimaler Weise erweitert. Hiernach ist die Anwendung eines Verfahrens vorgesehen, nach dem vor dem Füllen die Gießform auf eine Arbeitstemperatur gebracht wird und nach dem Füllen der Gießform von den Endzonen zu den Speiserzonen hin zeitlich gestaffelt einsetzend bis zum Abschluß der Erstarrung gekühlt wird.
Auch beim Schutzgasverbrauch sind Verbesserungen möglich. Die Anwendung einer Schutzgaspumpe gestattet nämlich nicht nur die Aufbringung mehrerer bar Druck, sie erlaubt auch bei der anschließenden Druckerniedrigung eine Rückgewinnung des Schutzgases. Auf diese Weise bleiben die Verluste auf unvermeidbare Leckagen beschränkt.
Beim Einsatz von Legierungen, die im geschmolzenen Zustand weniger stark mit den Gasen der Atmosphäre reagieren, kann auf das in der Regel teuere Schutzgas verzichtet werden und stattdessen eine Druckerhöhung durch Druckluftaufgabe herbeigeführt werden, wobei alle übrigen Vorteile erhalten bleiben.
Schließlich bieten die vorgeschlagenen Verfahren ideale Voraussetzungen für den Einsatz in einer gegen die Außenwelt abgeschlossenen Gießzelle zur zuverlässigen Unterbindung von Gießereiemissionen.
Dazu ist der Einsatz eines kombinierten Schmelz- und Dosierofens nach DE-PS 20 41 588, der gleichzeitig das Problem des Einschleusens von Chargiermaterial löst, von besonderem Vorteil. Hiernach wird an einem Schmelzofen eine gasdichte Chargierkammer mit einem Chargierkörper angeordnet, durch den eine quantifizierte Schmelzemenge in den Gieß- bzw. Schmelzebehälter gefördert werden kann.
Vorteilhafte Ausführungen der Verfahren und der Vorrichtung werden in den Unteransprüchen definiert, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben;
Fig. 1
zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Gießbehälter mit einer Gießform entlang der Schnittlinie A-B nach Fig. 2;
Fig. 2
zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Gießbehälter mit einer Gießform nach Fig. 1 senkrecht zur Drehachse;
Fig. 3
zeigt eine Gießzelle mit zur Durchführung erfindungsgemäßer Verfahren geeigneten Anlageteilen in systematischer Darstellung;
Fig. 4
zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Gießbehälter mit einer Gießform durch die Drehachse in einer zweiten Ausführungsform.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 wird eine Gießform 31 (Kokille) mit einem Formhohlraum 1 durch eine Kokillendeckplatte 2, Seitenteile 3, Kerne 4 und eine Kokillengrundplatte 5 gebildet. Unter der Kokillengrundplatte 5 befindet sich ein Gießbehälter 30 mit einem Gehäuse 6 und einer Feuerfestauskleidung 7, der ein für einen Abguß dosiertes Schmelzequantum 8 enthält. Das Schmelzequantum 8 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Dosierofens über die Einfüllöffnung 9 bei geöffnetem Verschluß 10 insbesondere unter Schutzgas eingefüllt; anschließend wird der Verschluß 10 geschlossen. An dem Verschluß 10 ist ein Schutzgasanschluß 11 dargestellt. Weiterhin ist die horizontale sich in Richtung der Längserstreckung von Gießform 31 und Gießbehälter 30 erstreckende Drehachse 12 der Gießeinrichtung gezeigt. Als Öffnung innerhalb der Kokillengrundplatte 5 ist ein Anschnitt 13 mit großem Querschnitt ausgebildet.
Ein Pfeil oberhalb der Kokillendeckplatte 2 symbolisiert die Bewegungsrichtung derselben zum Entformen des fertigen Bauteils.
In Figur 2 ist ebenfalls die Gießform 31 mit dem Formhohlraum 1 erkennbar, die aus der Kokillendeckplatte 2, Seitenteilen 3, Kernen 4 und der Kokillengrundplatte 5 besteht. In der Grundplatte 5 sind der Anschnitt 13 sowie ein dazu paralleler weiterer Überströmkanal 14 erkennbar. An dem Gießbehälter 30 ist das Gehäuse 6, die Feuerfestauskleidung 7 sowie das darin enthaltene für einen Abguß dosierte Schmelzequantum 8 erkennbar.
Durch Drehen der gesamten Gießeinrichtung um die Drehachse 12 gegen den Uhrzeigersinn fließt die Schmelze durch den Anschnitt 13 mit großem Querschnitt in ruhigem turbulenzfreiem Fluß in den Formhohlraum 1 und füllt diesen in wenigen Sekunden aus. Am Ende der Drehbewegung befindet sich der Gießbehälter 30 über der Kokillengrundplatte 5. Jetzt wird der Innendruck, insbesondere der Schutzgasdruck über der im Formhohlraum 1 erstarrenden Schmelze, deren Gesamtvolumen auch das erforderliche Speiservolumen umfaßt, mit Hilfe des Druckanschlusses 11 erhöht und damit die Dichtspeisung des Gußstücks verbessert. Nach Abschluß der Erstarrung kann der Überdruck auf Normaldruck abgesenkt, die Form geöffnet und das ausreichend abgekühlte Gußteil entnommen werden. Danach beginnt ein neuer Gießzyklus.
Pfeile seitlich der Kokillenseitenteile 3 symbolisieren deren Bewegungsrichtung zum Entformen.
In Figur 3 ist eine drehbare Gießvorrichtung 19 mit einem Drehantrieb 27 sowie einem Gießbehälter 30 und einer Gießform 31 mit diese verbindenden Verspannmitteln 32 innerhalb einer Gießzelle 21 gezeigt. Die Drehachse 12 der Gießvorrichtung ist ebenfalls angezeigt. Der Gießbehälter 30 ist über eine Leitung 26 mit einem nur symbolisch dargestellten Pump- und Speichersystem 18, 28 verbunden. Innerhalb der Gießzelle 21 befindet sich ein Dosierofen 15, der über eine elastische gasdichte Kupplung 23 mit der Einfüllöffnung 9 des Gießbehälters 30 verbunden ist. Der Dosierofen 15 ist über eine Schleuse 22 mit einem Bereich außerhalb der Gießzelle 21 verbunden. An die Schleuse 22 kann sich alternativ eine Chargiervorrichtung 16 für stückiges Einsatzmaterial oder eine Chargiereinrichtung 17 für flüssiges Einsatzmaterial anschließen. Die Gießzelle umfaßt eine weitere Schleuse 22. Oberhalb der Gießform 31 ist ein Manipulator 20 für Kerne erkennbar.
In Figur 4 ist eine Gießvorrichtung bestehend aus einem Gießbehälter 30 sowie einer Gießform 31 dargestellt.
Der Gießbehälter 30 unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten dadurch, daß er keine Einfüllöffnung umfaßt. Er weist jedoch innerhalb der Feuerfestschicht 7 Mittel zur Beheizung 24 auf. Ein festes Metallquatum 25 ist in den Gießbehälter 30 eingesetzt. Im Querschnitt senkrecht zur Drehachse 12 entspricht diese Gießvorrichtung der nach Figur 2 dargestellten.
Die Gießform 31 stimmt im wesentlichen mit der in Figur 1 gezeigten überein. Sie umfaßt eine Kokillendeckplatte 2, Kokillenseitenteile 3 sowie eine Kokillengrundplatte 5. In den Seitenteilen sind jedoch Mittel 29 zur Kühlung dargestellt. In der Kokille sind Kerne 4 eingesetzt. Die Drehachse der Vorrichtung ist mit 12 bezeichnet.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Gießen von Bauteilen aus Metallegierungen nach dem Kippgießprinzip in einer Gießform (31) - insbesondere einer Dauergießform (Kokille) - die über zumindest einen Anschnitt (13) verfügt, der eine offene Verbindung zwischen dem Formhohlraum (1) der Gießform (31) und dem Innenraum eines kippbaren Gießbehälters (30) für die Schmelze herstellt, wobei der Gießbehälter (30) in einer unterhalb der Gießform (31) liegenden Stellung mit einem Schmelzequantum (8) für einen Gießvorgang befüllt wird und danach der Gießbehälter (30) mit der Gießform (31) so um eine horizontale Drehachse (12) gedreht wird, daß die Schmelze über den Anschnitt in die Gießform (31) befördert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Formhohlraum (1) mit dem Gießbehälter (30) unmittelbar über den Anschnitt (13) verbunden wird,
    daß der Formhohlraum (1) mit seiner Längsachse in Richtung der Drehachse (12) ausgerichtet wird und der Anschnitt (13) sich über im wesentlichen die gesamte Länge des Formhohlraums erstreckt, wobei das Einströmen über einen großen Querschnitt des Anschnitts im Verhältnis zum angeschnittenen Querschnitt des Formhohlraums erfolgt,
    daß der Gießbehälter (30) vor dem Drehen gasdicht verschlossen wird und
    daß eine Erhöhung des Druckes im Innenraum des Gießbehälters (30) zumindest zeitweise während der Dauer des Formfüllvorganges und des Erstarrungsablaufes vorgenommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gießbehälter (30) mit einer quantifizierten Metallmenge (25) in fester Form für einen Gießvorgang gefüllt und gasdicht verschlossen wird, dann die Metallmenge (25) zum Schmelzequantum für einen Gießvorgang erschmolzen wird.
  3. Verfahren zum Gießen von Bauteilen aus Metallegierungen nach dem Kippgießprinzip in einer Gießform (31) - insbesondere einer Dauergießform (Kokille) - die über zumindest einen Anschnitt (13) verfügt, der eine offene Verbindung zwischen dem Formhohlraum (1) der Gießform (31) und dem Innenraum eines kippbaren Gießbehälters (30) für die Schmelze herstellt, wobei der Gießbehälter (30) in einer unterhalb der Gießform (31) liegenden Stellung mit einem Schmelzequantum (8) für einen Gießvorgang befüllt wird und danach der Gießbehälter (30) fit der Gießform (31) so um eine horizontale Drehachse (12) gedreht wird, daß Schmelze über den Anschnitt in die Gießform (31) befördert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Formhohlraum (1) mit dem Gießbehälter (30) unmittelbar über den Anschnitt (13) verbunden wird,
    daß der Formhohlraum (1) mit seiner Längsachse in Richtung der Drehachse (12) ausgerichtet wird und der Anschnitt (13) sich über im wesentlichen die gesamte Länge des Formhohlraums erstreckt, wobei das Einströmen über einen großen Querschnitt des Anschnitts im Verhältnis zum angeschnittenen Querschnitt des Formhohlraums erfolgt,
    daß der Gießbehälter (30) vor dem Drehen dicht verschlossen wird und
    daß zumindest im Anschnitt (13) ein Teil der Schmelze als Speiservolumen stehenbleibt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gießbehälter (30) mit einer quantifizierten Metallmenge (25) in fester Form für einen Gießvorgang gefüllt und dicht verschlossen wird, dann die Metallmenge (25) zum Schmelzequantum für einen Gießvorgang erschmolzen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Teil der Schmelze im gesamten Querschnitt des Gießbehälters (30) als Speiservolumen stehenbleibt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Erhöhung des Druckes im Innenraum des Gießbehälters (30) zumindest zeitweise während der Dauer des Formfüllvorganges und des Erstarrungsablaufes vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gießbehälter (30) für die Schmelze zunächst mit Schutzgas gespült, dann mit dem flüssigen Schmelzequantum (8) für einen Gießvorgang unter Schutzgas gefüllt und gasdicht verschlossen wird, und danach die Schmelze unter Schutzgas in die Gießform (31) befördert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gießbehälter (30) für die Schmelze, nachdem er gasdicht verschlossen worden ist, mit Schutzgas gespült und die Metallmenge (25) zum Schmelzequantum für eine Gießvorgang erschmolzen wird und danach die Schmelze unter Schutzgas in die Gießform (31) befördert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Erhöhung des Schutzgasdruckes im Innenraum des Gießbehälters (30) zumindest zeitweise während der Dauer des Formfüllvorgangs und des Erstarrungsablaufs vorgenommen wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das eingesetzte Schutzgas nach dem Formfüllvorgang oder dem Erstarrungsablauf bei der Entspannung zur Wiederverwendung zurückgewonnen wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gießbehälter (30) vor dem Spülen mit Schutzgas weitgehend von Luft evakuiert wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein mit bis zu einer Bauteiloberfläche reichenden Kernen (4) bestückter Formhohlraum (1) mit diesen Kernen (4) zur Anschnittsquerschnittsfläche weisend ausgerichtet ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen dem Gießbehälter (30) und dem Formhohlraum (1) über zumindest einen weiteren Überströmkanal (14) außer dem Anschnitt (13) beim Gießen anfangs ein Gasaustausch stattfindet.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sich der weitere Überströmkanal (14) im wesentlichen über die Bauteillänge parallel zum Anschnitt (13) erstreckt.
  15. Vorrichtung zum Gießen von Bauteilen aus Metallegierungen nach dem Kippgießprinzip mit einer Gießform (31) - insbesondere einer Dauergießform (Kokille) - die über zumindest einen Anschnitt (13) verfügt, der eine offene Verbindung zwischen dem Formhohlraum (1) der Gießform (31) und dem Innenraum eines kippbaren Gießbehälters (30) für die Schmelze bildet, wobei der Gießbehälter (30) in eine unterhalb der Gießform (31) liegende Stellung bringbar ist und der Gießbehälter (30) mit der anliegenden Gießform (31) kippbar ist, mit Verspannmitteln (32) zwischen der Gießform (31) und dem Gießbehälter (30) und mit Drehantriebsmitteln (27) zum Drehen des Gießbehälters (30) mit der Gießform (31) um eine horizontale Achse (12), wobei der Innenraum des Gießbehälters (30) dem Bruttovolumen eines Schmelzequantums für einen einzigen Bauteilabguß angepaßt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Anschnitt (13) eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Gießbehälter (30) und dem Formhohlraum (1) darstellt,
    daß der Formhohlraum (1) mit seiner Längsachse in Richtung der Drehachse (12) ausgerichtet ist und der Anschnitt (13) sich über im wesentlichen die gesamte Länge des Formhohlraums/die Bauteillänge erstreckt, so daß die Gießform (31) über einen Anschnitt (13) mit einem großen Querschnitt im Verhältnis zum Querschnitt der angeschnittenen Formhohlraumteile bzw. Bauteilwandteile verfügt.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Verschlußmittel (10) zum gasdichten Verschließen des Gießbehälters und Druckerhöhungsmittel (18) zum Erhöhen des Innendrucks im Gießbehälter vorgesehen sind.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gießbehälter (30) außer über den Anschnitt noch über mindestens einen weiteren Überströmkanal (14) mit dem Formhohlraum (1) der Gießform (31) verbunden ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sich der weitere Überströmkanal (14) im wesentlichen über die gesamte Länge des Formhohlraums/die Bauteillänge parallel zum Anschnitt (13) erstreckt.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Anschnitt (13) von im wesentlichen gleichbleibender und im Verhältnis zur Länge geringer Breite ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gießbehälter (30) mit einer Gießform (31) um eine in einer Querschnittsebene des Anschnitts (13) liegenden Längsachse drehbar ist.
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