EP0733422B1 - Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Metall - Google Patents

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EP0733422B1
EP0733422B1 EP96810144A EP96810144A EP0733422B1 EP 0733422 B1 EP0733422 B1 EP 0733422B1 EP 96810144 A EP96810144 A EP 96810144A EP 96810144 A EP96810144 A EP 96810144A EP 0733422 B1 EP0733422 B1 EP 0733422B1
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mold
filling
piston
filling chamber
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Jean-Pierre Gabathuler
Erich Röllin
Hansjörg Huber
Helmut Schelling
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3A Composites International AG
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Alusuisse Lonza Services Ltd
Alusuisse Technology and Management Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/004—Thixotropic process, i.e. forging at semi-solid state
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/14—Machines with evacuated die cavity

Definitions

  • the invention relates to a method for producing Molded parts made of metal according to the preamble of claim 1.
  • thixoforms The process for the production of molded parts from thixotropic, i.e. partially solid / partially liquid, metal bolt is called Denote thixoforms. All come as metal bolts Bolts from a convertible to a thixotropic state Metal in question.
  • the metal bolts can be made of Aluminum, magnesium or zinc and their alloys exist.
  • thixotropic metal alloys The thixoforming of thixotropic metal alloys is in itself known. In this process the thixotropic properties partially liquid or partially solid metal alloys exploited. With thixotropic behavior of a metal alloy is understood that a suitably prepared Metal behaves unloaded like a solid, under However, shear stress reduces its viscosity to the extent that it is similar to a molten metal. This involves heating the alloy into the solidification interval between liquidus and solidus temperature required. The temperature should be set so that, for example a structure fraction of 20 to 80 wt.% melted the rest remains in solid form.
  • Partially solid / partly liquid metal is used in thixoforming in the form of a thixotropic metal bolt in a common given horizontally arranged filling chamber and by Pressurizing a piston into a mold cavity introduced or shot, in which the thixotropic metal alloy solidifies.
  • the mold filling with the partially solid / partially liquid metal takes place in thixoforming as a largely laminar flow.
  • the metal forms a closed metal front, which the Air pushes in the direction of the ventilation ducts.
  • the air can escape through these channels.
  • the mold filling takes place relatively slowly, air and / or other gas components are included in the molded part, which in particular after heat treatment to porosity and can cause bubbles.
  • the ventilation ducts can also be used over time, at least partially due to deposits Release agents are blocked. This leads to increased gas pressures in front of the metal front and thus increased gas absorption in the molding. Depending on the degree of contamination of the mold the gas porosity in the molded parts can therefore vary.
  • the inventors have the Task, a method of the type mentioned to create with which the gas porosity in the molded parts can be further reduced.
  • a method with the features of claim 1 leads to the achievement of the object according to the invention.
  • a suitable thixoforming system has a filling chamber Picking up a thixotropic metal bolt, one to the filling chamber subsequent mold cavity and a piston for Pressing the metal bolt out of the filling chamber into the mold cavity on.
  • the mold cavity stands with a vacuum container.
  • the actuator has a control pin with a Closure head on, the closure head opening and Closing a directly adjoining the mold cavity Vent channel is used.
  • the filling chamber can consist of a ceramic material, in particular of Si 3 N 4 . It is also possible to provide the filling chamber with heating devices. These heating devices can, for example, be arranged in the wall of the filling chamber as heating rods or as bores in which a heated medium such as oil flows.
  • a thixoforming system 10 shown in FIG. 1 has with a horizontally lying cylindrical filling chamber 12 a filling chamber cavity 14. An opening 18 in the Filling chamber 12 is used to introduce a thixotropic metal bolt 20 in the filling chamber cavity 14. The displacement of the metal bolt 20 within the filling chamber cavity 14 takes place by means of a piston arranged in the filling chamber 12 16, which are moved in the direction of the filling chamber axis x can.
  • the filling chamber 12 ends in a fixed mold plate 22, which a movable mold plate 24 is opposite.
  • the two Mold plates 22, 24 each take a mold half 26, 28, which form a mold cavity 30 in the closed state, in which, after the metal has solidified, the molded part 32 arises.
  • the mold cavity 30 has one or more ventilation channels 34, which may be combined into a collecting channel are.
  • the Control pin 38 has a locking head 40 for opening or closing the ventilation channel 34.
  • the postponement of the control pin 38 takes place on a flanged to the outside of the movable mold plate 24 Actuating cylinder 42. With this arrangement, the Maintain forced ventilation until the mold is completely filled become. Only when the mold has been filled the venting channel via the locking head 40 of the control bolt 38 34 closed at the end of the mold cavity 30.
  • a vacuum line 44 connects to the control insert 36 connected to a vacuum container 48 via a valve 46 is.
  • the vacuum container 48 is with a vacuum pump 50 evacuated and kept under vacuum.
  • For pressure control manometers 52 are provided.
  • the forced venting begins at the earliest when the piston 16 the opening 18 in the filling chamber 12 has closed and ends at the latest when the tool by separating the mold halves 26, 28 is opened again.
  • Advantageous and practical Forced ventilation ends as soon as the mold is filled completed, i.e. the piston 16 no longer moves. Forced ventilation can of course also be done earlier end up.
  • the switch-on and switch-off points for the forced ventilation can by means of displacement transducers arranged on the piston rod be determined. Switching on and off can also time, speed or pressure controlled. A another possibility is the use of metal front sensors, that trigger a circuit when the metal front is one reached certain point.
  • the piston leads the metal to the gate, during a second filling phase, which begins at the time t E of the entry of the metal into the mold cavity, the mold cavity is filled with metal.
  • the two filling phases are of approximately the same length and are, for example, 0.5 seconds each.
  • the evacuation time is therefore less than 1 second.
  • the gases can only be suctioned off when the piston has closed the filling opening.
  • the speed of the piston cannot be reduced arbitrarily, since otherwise too much metal would solidify in the filling chamber.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Metall nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Das Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus thixotropen, d.h. teilfesten/teilflüssigen, Metallbolzen wird als Thixoformen bezeichnen. Als Metallbolzen kommen dabei alle Bolzen aus einem in einen thixotropen Zustand überführbaren Metall in Frage. Insbesondere können die Metallbolzen aus Aluminium, Magnesium oder Zink und deren Legierungen bestehen.
Das Thixoformen thixotroper Metallegierungen ist an sich bekannt. Bei diesem Verfahren werden die thixotropen Eigenschaften teilflüssiger bzw. teilfester Metallegierungen ausgenützt. Unter thixotropem Verhalten einer Metallegierung wird verstanden, das ein entsprechend vorbereitetes Metall sich unbelastet wie ein Festkörper verhält, unter Scherbeanspruchung seine Viskosität jedoch soweit verringert, dass es sich ähnlich einer Metallschmelze verhält. Dazu ist ein Aufheizen der Legierung in das Erstarrungsintervall zwischen Liquidus- und Solidustemperatur erforderlich. Die Temperatur ist dabei so einzustellen, dass beispielsweise ein Gefügeanteil von 20 bis 80 Gew.% aufgeschmolzen wird, der Rest jedoch in fester Form verbleibt. Beim Thixoformen wird teilfestes/teilflüssiges Metall in der Form eines thixotropen Metallbolzens in eine üblicherweise horizontal angeordnete Füllkammer gegeben und durch Druckbeaufschlagung mittels eines Kolbens in einen Formhohlraum eingebracht bzw. eingeschossen, in welchem die thixotrope Metallegierung erstarrt.
Die Formfüllung mit dem teilfesten/teilflüssigen Metall erfolgt beim Thixoformen als weitgehend laminare Strömung. Das Metall bildet eine geschlossene Metallfront, die die Luft in Richtung der Entlüftungskanäle vor sich herschiebt. Ueber diese Kanäle kann die Luft entweichen. Obwohl die Formfüllung verhältnismässig langsam erfolgt, können Luft und/ oder andere Gasbestandteile im Formteil eingeschlossen werden, was insbesondere nach einer Wärmebehandlung zu Porosität und Blasen führen kann. Auch können die Entlüftungskanäle mit der Zeit zumindest teilweise durch sich ablagerndes Trennmittel verstopft werden. Dies führt zu erhöhten Gasdrücken vor der Metallfront und somit zu einer erhöhten Gasaufnahme im Formteil. Je nach Verschmutzungsgrad der Form kann demzufolge die Gasporosität in den Formteilen variieren.
Bei der Herstellung von Formteilen mit speziellen Ausbildungsformen wie beispielsweise Augen ist es unvermeidlich, dass sich zwei oder mehr Metallfronten bilden, deren Zusammentreffen zu einem lokalen Einschluss von Gasen zwischen den Fronten führen kann. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn am Ort des Zusammentreffens der Metallfronten keine Entlüftung vorgesehen oder möglich ist, was zwangsläufig zu systematischen Fehlern führt.
Aus der EP-A-0005239 ist bei einem Niederdruckgiess verfahren bekannt, den Formhohlraum zur Vermeidung von Gaseinschlüssen zu evakuieren.
Angesichts dieser Gegebenheiten haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit welchem die Gasporosität in den Formteilen weiter vermindert werden kann.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Spezielle und weiterbildende Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich durch Thixoformen Formteile herstellen, die gegenüber Formteilen, welche nach dem Stand der Technik hergestellt werden, eine weiter verminderte Gasporosität aufweisen. Untersuchungen haben zwar gezeigt, dass der Gasgehalt in Thixoforming-Teilen im allgemeinen ein bereits sehr tiefes Niveau aufweist und somit keine Probleme bezüglich Porosität auftreten sollten. Trotzdem kann bei bestimmten Teilen und bei sehr hohen qualitativen Anforderungen der Gasgehalt in gewissen Formteilbereichen zu hoch sein. Ein Grund für eine lokal erhöhte Gasporosität liegt beispielsweise darin, dass bei dünnwandigen Teilen die Füllgeschwindigkeit so hoch gewählt werden muss, dass die Metallfront nicht mehr kompakt ist. Darüber hinaus ist es bei bestimmten Formteilgeometrien praktisch unmöglich, Gase aus bestimmten nicht entlüftbaren Bereichen abzuleiten. Solange keine vollständige Lösungsglühung notwendig ist, bleiben die Gase in Lösung bzw. unter sehr hohem Druck komprimiert, was keine besonderen Probleme bereitet. Wenn nun aber sehr hohe mechanische Eigenschaften erforderlich sind und somit eine Wärmebehandlung vorgenommen werden muss, können selbst kleine Mengen von Gasen, die an einer bestimmten Stelle konzentriert sind, zu Problemen führen. Die erfindungsgemäss angewendete Zwangsentlüftung des Formhohlraums schafft hier Abhilfe.
Besonders gute Resultate lassen sich erzielen, wenn die Zwangsentlüftung bis zur praktisch vollständigen Formfüllung aufrechterhalten wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist die Füllkammer wärmeisolierend ausgestaltet und/oder sie wird beheizt. Mit diesen Massnahmen wird der Wärmeentzug aus dem Metallbolzen reduziert und das Metall erstarrt weniger rasch, so dass auch die Evakuierzeit verlängert werden kann.
Durch die Zwangsentlüftung bzw. Evakuierung des Formhohlraums kann die Kolbengeschwindigkeit nach dem Zeitpunkt des Eintritts des Metalls in den Formhohlraum erhöht und damit die Formfüllung beschleunigt werden, was die Herstellung von dünnwandigen Teilen ermöglicht.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Thixoforming-Anlage weist eine Füllkammer zur Aufnahme eines thixotropen Metallbolzens, einen an die Füllkammer anschliessenden Formhohlraum sowie einen Kolben zum Einpressen des Metallbolzens aus der Füllkammer in den Formhohlraum auf. Der Formhohlraum steht mit einem Vakuumbehälter in Verbindung.
Zweckmässigerweise ist zwischen dem Formhohlraum und dem Vakuumbehälter ein Stellorgan zum Oeffnen und Schliessen der Verbindung zwischen dem Formhohlraum und dem Vakuumbehälter angeordnet.
Bei dieser Thixoforming-Anlage weist das Stellorgan einen Steuerungsbolzen mit einem Verschlusskopf auf, wobei der Verschlusskopf dem Oeffnen und Schliessen eines unmittelbar an den Formhohlraum anschliessenden Entlüftungskanals dient.
Zur Erzielung einer guten Wärmeisolation kann die Füllkammer aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere aus Si3N4, bestehen. Es ist auch möglich, die Füllkammer mit Heizeinrichtungen zu versehen. Diese Heizeinrichtungen können beispielsweise als Heizstäbe oder als Bohrungen, in welchen ein geheiztes Medium wie z.B. Oel fliesst, in der Wandung der Füllkammer angeordnet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in
- Fig. 1
einen Längsschnitt durch eine Thixoforming-Anlage mit Zwangsentlüftung;
- Fig. 2
einen typischen Ablauf einer Formfüllung beim Thixoformen.
Eine in Fig. 1 dargestellte Thixoforming-Anlage 10 weist eine horizontal liegende zylinderförmige Füllkammer 12 mit einem Füllkammerhohlraum 14 auf. Eine Oeffnung 18 in der Füllkammer 12 dient der Einführung eines thixotropen Metallbolzens 20 in den Füllkammerhohlraum 14. Die Verschiebung des Metallbolzens 20 innerhalb des Füllkammerhohlraums 14 erfolgt mittels eines in der Füllkammer 12 angeordneten Kolbens 16, der in Richtung der Füllkammerachse x bewegt werden kann.
Die Füllkammer 12 endet in einer festen Formplatte 22, welcher eine bewegliche Formplatte 24 gegenüber steht. Die beiden Formplatten 22, 24 nehmen je eine Formhälfte 26, 28 auf, welche im geschlossenen Zustand einen Formhohlraum 30 bilden, in welchem nach dem Erstarren des Metalls das Formteil 32 entsteht.
Der Formhohlraum 30 weist einen oder mehrere Entlüftungskanäle 34 auf, die ggf. zu einem Sammelkanal zusammengefasst sind. In der beweglichen Formplatte 24 ist ein Steuerungseinsatz 36 mit einem Steuerungsbolzen 38 angeordnet. Der Steuerungsbolzen 38 weist einen Verschlusskopf 40 zum Oeffnen bzw. Schliessen des Entlüftungskanals 34 auf. Die Verschiebung des Steuerungsbolzens 38 erfolgt über einen auf der Aussenseite der beweglichen Formplatte 24 angeflanschten Betätigungszylinder 42. Mit dieser Anordnung kann die Zwangsentlüftung bis zur vollständigen Formfüllung aufrechterhalten werden. Erst bei erfolgter Formfüllung wird über den Verschlusskopf 40 des Steuerungsbolzens 38 der Entlüftungskanal 34 am Ende des Formhohlraums 30 verschlossen.
An den Steuerungseinsatz 36 schliesst eine Vakuumleitung 44 an, die über ein Ventil 46 mit einem Vakuumbehälter 48 verbunden ist. Der Vakuumbehälter 48 wird mit einer Vakuumpumpe 50 evakuiert und auf Unterdruck gehalten. Zur Druckkontrolle sind Manometer 52 vorgesehen.
Der als Ventil wirkende Verschlusskopf 40 des Steuerungsbolzens 38 hat mehrere Aufgaben:
  • Vor der Formfüllung ist das Ventil geschlossen und die Vakuumpumpe 50 baut im Vakuumbehälter 48 einen Unterdruck auf.
  • Während einer ersten Füllphase erfolgt ein gesteuertes Oeffnen des Ventils und damit der Beginn der Zwangsentlüftung.
  • Bei erfolgter Formfüllung wird das Ventil geschlossen, damit kein Metall in den Vakuumteil der Anlage eintritt. Das Schliessen des Ventils ist auch notwendig, damit die Formhälften 26, 28 getrennt und damit die Form geöffnet und auch der Unterdruck im Vakuumbehälter 48 wieder aufgebaut werden kann.
Das Zwangsentlüften beginnt frühestens, wenn der Kolben 16 die Oeffnung 18 in der Füllkammer 12 geschlossen hat und endet spätestens, wenn das Werkzeug durch Trennung der Formhälften 26, 28 wieder geöffnet wird. Vorteilhaft und zweckmässig endet das Zwangsentlüften, sobald die Formfüllung abgeschlossen ist, d.h. der Kolben 16 sich nicht mehr bewegt. Die Zwangsentlüftung kann selbstverständlich auch früher enden. Die Ein- und Ausschaltpunkte für die Zwangsentlüftung können mittels auf der Kolbenstange angeordneter Wegaufnehmer bestimmt werden. Das Ein- bzw. Ausschalten kann aber auch zeit-, geschwindigkeit- bzw. druckgesteuert erfolgen. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Metallfrontsensoren, die eine Schaltung auslösen, wenn die Metallfront eine bestimmte Stelle erreicht.
In Fig. 2 ist ein typischer Füllvorgang bei einer Thixoforming-Anlage mit Zwangsentlüftung dargestellt. Während einer ersten Füllphase führt der Kolben das Metall bis zum Anschnitt, während einer zweiten Füllphase, die mit dem Zeitpunkt tE des Eintritts des Metalls in den Formhohlraum beginnt, wird der Formhohlraum mit Metall gefüllt. Typischerweise sind beim Thixoformen die beiden Füllphasen etwa gleich lang und betragen beispielsweise je 0,5 sec. Die Evakuierzeit beträgt somit weniger als 1 sec. Das Absaugen der Gase kann erst beginnen, wenn der Kolben die Einfüllöffnung geschlossen hat. Andererseits kann die Geschwindigkeit des Kolbens nicht beliebig reduziert werden, da sonst zuviel Metall in der Füllkammer erstarren würde.
Die Aufrechterhaltung eines sehr tiefen Vakuums ist nicht erforderlich. Es genügt, die im Formhohlraum vorhandenen Gase vor und während der Formfüllung abzusaugen, damit wenig bis keine Gegendrücke durch diese Gase aufgebaut werden. Durch Versuche konnte bestätigt werden, dass zur Erzielung ausserordentlich guter Resultate bezüglich Porosität ein sehr tiefes Vakuum nicht zwingend notwendig ist.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Metall durch Einpressen eines thixotropen Metallbolzens (20) mit einem Kolben (16) aus einer Füllkammmer (12) in einen Formhohlraum (30),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Formhohlraum (30) zumindest bis zum Zeitpunkt (tE) des Eintritts des Metalls in den Formhohlraum (30) zwangsentlüftet und die Kolbengeschwindigkeit nach dem Zeitpunkt (tE) des Eintritts des Metalls in den Formhohlraum (30) erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwangsentlüftung bis zur vollständigen Formfüllung aufrechterhalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllkammer (12) wärmeisolierend ausgestaltet ist und/oder beheizt wird.
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CH (1) CH689448A5 (de)
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