EP1242205B1 - Vorbehandlung eines thixotropen metallbolzens - Google Patents

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EP1242205B1
EP1242205B1 EP00991167A EP00991167A EP1242205B1 EP 1242205 B1 EP1242205 B1 EP 1242205B1 EP 00991167 A EP00991167 A EP 00991167A EP 00991167 A EP00991167 A EP 00991167A EP 1242205 B1 EP1242205 B1 EP 1242205B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating tube
metal bolt
bolt
heating
metal
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00991167A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1242205A1 (de
Inventor
Miroslaw Plata
Christophe Bagnoud
Grégoire Arnold
Martin Bolliger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
3A Composites International AG
Original Assignee
Alcan Technology and Management Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Alcan Technology and Management Ltd filed Critical Alcan Technology and Management Ltd
Priority to EP00991167A priority Critical patent/EP1242205B1/de
Publication of EP1242205A1 publication Critical patent/EP1242205A1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B17/00—Furnaces of a kind not covered by any of groups F27B1/00 - F27B15/00
    • F27B17/0016—Chamber type furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D2003/0034—Means for moving, conveying, transporting the charge in the furnace or in the charging facilities
    • F27D2003/0075—Charging or discharging vertically, e.g. through a bottom opening
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/12—Travelling or movable supports or containers for the charge

Definitions

  • the invention relates to a pretreatment device for providing a containing thixotropic metal bolt in a casting chamber of a thixoforming device a container for holding a metal bolt, an oven for Transfer of the metal bolt in the container into a partially liquid, thixotropic state, as well as a transport device for transporting and Insert the thixotropic metal bolt into the casting chamber, and use the pretreatment device.
  • the invention further relates to a corresponding one Method according to the features of the preamble of claim 12, and the use of the procedure.
  • Thixoforming concerns the production of molded parts from thixotropic metal bolts.
  • metal bolts all bolts come from one into a thixotropic one Condition transferable metal in question.
  • the metal bolts can be made of Aluminum, magnesium or zinc and the alloys of these metals exist.
  • the thixotropic properties of a metal alloy mean that a suitably prepared metal is unloaded like a solid behaves, but reduces its viscosity so far under shear stress, that it is similar to a molten metal. This involves heating the Alloy in the solidification interval between liquidus and solidus temperature required. The temperature is to be set so that, for example, a structural component from 20 to 80% by weight is melted, but the rest in solid Shape remains.
  • thixoforming With thixoforming, partially solid / partially liquid metal is used in a modified die casting machine, a so-called thixoforming device, processed into molded parts.
  • the die casting machines used for thixoforming differ from each other die casting machines for die casting metal melts for example, a longer casting chamber to accommodate the thixotropic Metal pin and a larger piston stroke required thereby, and for example a mechanically reinforced design of the thixotropic metal alloy leading parts of the die casting machine due to the higher pressure load of these parts during thixoforming.
  • the metal bolts are usually heated in a separate oven.
  • the furnaces can be heated with fuel, such as gas or oil, or electrical energy, such as by means of a resistance heater or by means of inductive energy input.
  • the metal bolt is brought into the thixotropic state, i.e. heating the bolt until the desired proportion of alloy has melted is expediently by an oven temperature controlled by sensors.
  • a bowl Container for example in a metallic bowl made of stainless steel, or given a crucible made of clay graphite or clay SiC and in a horizontal position in transferred the thixotropic state.
  • the thixotropic metal bolt can then, for example in the same container, by means of, for example, a gripper to the casting chamber of a horizontal thixoforming device transferred and introduced into the casting chamber by tilting the container become.
  • the metal bolt remains during the heating process and transport to the casting chamber in the same container.
  • EP-A-0 645 206 describes an apparatus for producing mechanical highly stressed parts by thixoforming, which is described at the beginning Contains pretreatment device.
  • the metal bolts are cup-shaped Containers in a tubular continuous furnace in the thixotropic Condition transferred, and the container containing the thixotropic bolt is by means of transported to the casting chamber by a robot, and by tilting the container the thixotropic bolt is transported into the casting chamber.
  • EP-B-0 713 736 describes a holding device for inductive heating of bolts made of metal alloys with thixotropic properties and for holding and transporting the bolts until they are cast.
  • the holding device is there a specially designed trough-shaped bowl.
  • the object of the present invention is to avoid the aforementioned disadvantages the prior art and the specification of a pretreatment device and a process for the reproducible provision of thixotropic metal bolts in a casting chamber of a thixoforming device, the thixotropic metal bolt a homogeneous temperature distribution and one over the entire bolt cross-section and the entire bolt length has a homogeneously distributed liquid portion, and the leakage of liquid metal into the heating furnace and the introduction of liquid metal in the casting chamber can be avoided.
  • Another task at hand Invention is the preservation of the bolt shape during the heating process and the transport of the thixotropic bolt to and during the casting chamber Introduce into the casting chamber.
  • Yet another object of the present invention is seen in the possibility of increasing the transport speed, because this means that during the bolt transport from the furnace to the casting chamber resulting cooling is reduced.
  • the pretreatment device according to the invention is suitable for all metal bolts made of commercially available alloys which can be converted into a thixotropic state.
  • Particularly suitable metal bolt materials are alloys made of aluminum, magnesium or zinc. In particular, cast aluminum and wrought aluminum alloys are preferred.
  • the pretreatment device according to the invention is advantageously also suitable for processing particle-reinforced aluminum alloys which contain, for example, homogeneously distributed SiC or Al 2 O 3 particles.
  • the pretreatment device according to the invention is very particularly suitable for aluminum alloys which have a pronounced solidification interval, such as AlSi7Mg.
  • the metal bolts expediently contain homogeneously distributed, primarily solidified Solid particles consisting of individual degenerate dentrites. Prefers the proportion of primarily solidified solid particles is between 40 and 80% by weight. To achieve good thixotropic behavior, for example, aluminum alloys the alpha solid solution is available in globulistic form to a to achieve even flow of melt and solid.
  • the degenerate dendrites of the metal bolts generally generally have one globulistic shape, resulting in a uniformly homogeneous flow of Melt and solid can be achieved without segregation.
  • the production Metal bolts with a structure with globulistic dentrites are used, among other things. by a continuous casting process combined with an intense electromagnetic Stir also during the solidification phase. This leads to melting and breaking off dentrite arms that mold near the solidus temperature and form the globulistic structure.
  • the metal bolts required for thixoforming become the thixoforming process by means of the pretreatment device according to the invention to a Temperature above the solidus temperature and below the liquidus temperature, i.e. heated until a partially solid, thixotropic state is reached.
  • the semi-solid state contains the thixotropic alloy, the so-called thixotropic alloy Alloy slurry, the re-engineered dentritic, primary strength particles in one this surrounding matrix of liquid metal.
  • the thixotrope preferably contains Alloy slurry has a liquid content of 40% by weight to 50% by weight and in particular between 43% and 48% by weight.
  • the metal bolts can change with respect to their longitudinal axis are in a vertical or horizontal position.
  • a is preferred Induction furnace used to convert the metal bolt into a thixotropic state.
  • the alternating current flowing in the primary coil in the container and / or induces an alternating magnetic field in the metal bolt.
  • the warming the heating tube or the metal bolt is done by the magnetic Alternating field, which has strong eddy currents in the heating pipe or in the metal bolt and thereby causes a corresponding warming.
  • the depth of penetration the eddy currents and thus the depth of the heated layer is frequency-dependent; when using high frequencies, rapid heating predominantly takes place near-surface layers.
  • this consists of a Metal.
  • Metals from the iron-carbon-containing series are preferred for this purpose Metals such as steel, stainless steel, Thermax steel, hot work steel or out of line the metals tantalum, niobium, vanadium, tungsten or titanium or alloys thereof used.
  • Heating tubes made of copper or its alloys are further preferred. Heating tubes made of steel and especially made of are particularly preferred Stainless steel or tool steel.
  • a metal heating tube is used for the heating process in an induction furnace, in particular, a steel heating tube is used, so penetrates the magnetic Field essentially only the heating tube, so that the induction furnace in the essentially only the heating tube heats up directly and the heating of the metal bolt almost exclusively through heat conduction from the heating pipe into the metal bolts happens.
  • the stud material is thus heated by heating the heating pipe and by conduction from the heating pipe to the stud material. Due to the high thermal conductivity of a metal heating tube radially symmetrical heat conduction from the heating pipe to the metal bolt, provided the metal bolt is in thermal contact over its entire circumference with the heating pipe. The radially symmetrical heat conduction then causes also a radially symmetrical temperature distribution in the metal bolt, whereby by the high thermal conductivity of the metal bolt very quickly becomes a minor radial Temperature gradient.
  • the heating device according to the invention with a metal heating tube becomes a very homogeneous temperature and thus also a very homogeneous Liquid metal distribution achieved throughout the metal bolt. This especially because the direct energy input into the heating pipe and the stud material is only indirectly heated by heat conduction, so that any local existing differences in the structural structure or in the chemical composition the bolt material has no influence on the direct energy input to have.
  • the heating tube this consist of ceramic material.
  • the magnetic field penetrates the heating tube, i.e. the ceramic material of the heating tube is for the magnetic field transparent.
  • the metal bolt is then heated by direct heating Interaction with the magnetic field of the induction furnace.
  • Suitable ceramic materials are, for example, Al 2 O 3 , AL 3 O 4 , BN, SiC, Si 3 N 4 , MgO, TiO, ZrO 2 , stabilized, such as yttrium-stabilized ZrO 2 , glasses or refractory cements or mixtures, which the mentioned Materials included.
  • the heating tube can consist of fiber-reinforced ceramic material or contain such materials, and the fibers of the fiber-reinforced ceramic material can be made of SiC, Al 2 O 3 , glass or carbon, for example.
  • the inside diameter d R of the heating tube in the cold state is expediently somewhat larger than the bolt diameter d B of the cold metal bolt.
  • the inner diameter d R of the heating tube as a function of the bolt diameter d B is preferably selected such that the metal bolt in the cold state, in particular at room temperature, ie at a temperature of 15 ° C. to 30 ° C., by a dimension ⁇ d of approximately 0.5 mm , preferably 0.5 ⁇ 0.3 mm, in particular 0.5 ⁇ 0.1 mm, is smaller than the inner diameter d R of the heating tube.
  • the metal bolt expands in the radial and axial directions, so that at a certain point in time the bolt diameter d B corresponds to the inside diameter d R of the heating tube, it having to be taken into account that the inside diameter d R is also temperature-dependent.
  • the material of the heating tube and the inside diameter d R of the heating tube are chosen such that the metal bolt at its solidus temperature T solidus has essentially the same diameter d B as the inside diameter d R of the heating tube.
  • the bolt diameter d B at T solidus more preferably fulfills the relationship 0.996 d R ⁇ d B ⁇ d R , particularly preferably 0.998 d R d d B d d R and in particular 0.999 d R d d B d d R.
  • the metal bolts are cylindrical and usually have a round or oval cross-section, but can also be polygonal cross-section.
  • the diameter of the metal bolts in the cold state is, for example, 50 to 180 mm, expediently 75 to 150 mm and preferably 100 to 150 mm.
  • the The length of the metal bolt is, for example, 80 to 500 mm when cold.
  • the metal bolt heats up, the metal bolt and the heating tube expand.
  • Different materials have different coefficients of thermal expansion.
  • the thermal expansion coefficient of steel or ceramic material is significantly smaller than that of, for example, aluminum or aluminum alloys. Accordingly, a metal bolt made of an aluminum alloy, for example, expands more than a heating tube made of, for example, steel or ceramic material, so that - starting from a smaller diameter of the metal bolt in the cold state compared to the inner diameter of the heating tube - the metal bolt at a certain temperature has the same diameter as has the heating tube.
  • the diameter of the metal stud essentially corresponds to the diameter of the heating pipe, so that in the temperature range in which the thixotropic properties of the metal stud are essentially set, optimal thermal contact between the heating pipe and the metal stud is formed.
  • the heating tube containing the metal bolt is heated above the solidus temperature T solidus , the eutectic is melted, combined with an increase in volume of the metal bolt.
  • the eutectic of aluminum alloys suitable for thixoforming typically forms at approximately 550 to 570 ° C.
  • the volume increase in the range between solidus and liquidus temperature is typically approx.
  • the stud material can only expand in the longitudinal direction of the heating tube, provided the condition according to which at T solidus Bolt diameter d B corresponds to the diameter d R of the heating pipe is fulfilled.
  • T solidus Bolt diameter d B corresponds to the diameter d R of the heating pipe.
  • the increase in volume between the solidus and liquidus state - depending on the bolt length - manifests itself in an increase in the bolt length of typically approx. 3 to 16 mm and in particular of 3 to 6 mm.
  • the increase in length of an aluminum bolt below the solidus temperature is - depending on the bolt length - typically between 1 and 2 mm.
  • the length of the heating tube must be in the cavity of the heating tube be longer than the bolt length.
  • the length of the Heating tube selected such that the heating tube a total of about 5 to 30 mm, in particular 10 to 20 mm, is longer than the metal bolt to be heated therein.
  • the wall thickness of the heating tube is preferably 1 to 5 mm for steel tubes, for Copper pipes preferably 4 to 10 mm and preferably 8 to 15 for ceramic pipes mm.
  • the heating tube according to the invention can be closed on both sides.
  • closure elements made of ceramic material.
  • Materials for the closure elements are the same as described above Materials as for the one preferred variant of the heating tube made of ceramic material. Ceramic material points towards the metal stud material a low thermal conductivity, so that the radial temperature distribution at the front edge areas of the metal bolt through such closure elements is little influenced.
  • the heating tube is expediently made of metal bolts on its two end faces by means of closure elements, preferably by plug or cone-shaped Closing elements, tightly closed.
  • closure elements preferably by plug or cone-shaped Closing elements
  • the stopper-shaped or peg-shaped closure elements are further preferred with regard to Material choice and shape designed such that their friction properties in the heating tube due to the thermal expansion of the metal bolt shift in the direction of the longitudinal axis during the heating process allow the heating tube and on the other hand a shift by the Metal bolts exerted pressure on the closure elements after reaching the the desired thixotropic state temperature is avoided.
  • the closure elements Prior to the heating process, the closure elements are preferred so far pushed into the heating tube so that this is in direct mechanical contact the end faces of the metal bolt. This causes the locking elements to shift during the heating process in the heating tube due to the thermal Linear expansion of the metal bolt.
  • the heating tube can do this with one end directly on a preferably height-adjustable table top, preferably on a table top made of ceramic material, or the heating tube can by means of a closure element, preferably by a plug or cone-shaped closure element, tightly closed and by means of this closure element on a preferably height-adjustable table top made of any heat-resistant material can be set in a vertical position.
  • a stopper-shaped or peg-shaped closure element is the closure element with regard to choice of material and shape, preferably designed such that on the one hand no liquid metal is released during the heating process in the furnace can escape the heating tube and on the other hand the friction of the closure element is less than 10 N in the heating tube.
  • the friction of the closure element must be low so that a gripper arm Transport device, in particular a robot gripper arm, the heating tube without great effort, i.e. without the gripper arm for large mechanical Stresses must be designed by the specified on the table top Closure element can lift off.
  • a gripper arm Transport device in particular a robot gripper arm
  • the heating tube without great effort, i.e. without the gripper arm for large mechanical Stresses must be designed by the specified on the table top Closure element can lift off.
  • there is a high level of friction for achievement A high level of tightness is also not necessary because the closure element only prevent liquid metal from leaking during the heating process must and due to the cohesion of molten metals, in particular aluminum melts, this does not require a high level of tightness.
  • the friction of the closure element in the heating tube is less than 30 N, preferably between 2 and 20 N and in particular between 5 and 10 N.
  • the pretreatment device according to the invention is suitable for provision of a thixotropic metal bolt in a casting chamber of a vertical or Horizontal thixotropic molding.
  • This pretreatment device is particularly advantageous however, for providing a thixotropic metal bolt in one horizontal casting chamber, since here the shape retention with the inventive Device can be guaranteed particularly well.
  • a horizontal thixoforming device lies the casting chamber that holds the thixotropic metal bolt picks up, horizontally.
  • the device according to the invention is particularly advantageous for the provision of thixotropic metal bolts made of aluminum or aluminum alloys.
  • aluminum Billets are very particularly preferred in an induction furnace heated up in a vertical heating room.
  • the heating tube containing the thixotropic metal bolt becomes after the heating process and after any draining from during the heating process Metal bolts that have leaked out, for example, by a robot Casting chamber transported and in the front, half-open part of the casting chamber inserted.
  • the casting piston pushes the metal bolt out of the heating tube into one closed part of the casting chamber; then the thixotropic metal alloy through a through opening into the pouring channels and then into the mold cavity initiated.
  • the casting piston is pulled back, see above that afterwards a gripper arm of the transport device removes the heating pipe from the Pick up the casting chamber and use it for further pretreatment processes can feed.
  • the return of the heating pipe for further use for further pretreatment procedures expediently take place during the Solidification phase of the thixotropic metal alloy in the mold cavity. That while the solidification of the thixotropic metal alloy in the mold cavity Cast structure essentially determines the properties of the molded parts.
  • the microstructure is characterized by phases such as mixed crystal and eutectic Phases, the cast grain, such as globulites and dendrites, segregations as well as structural defects such as porosity (gas pores, micro voids) and impurities, such as Oxides.
  • the Liquid metal escaping from the metal bolt during the heating process at least partially removed from the heating tube.
  • the one during the heating process Liquid metal portion emerging from the metal bolt is typically less than 1% by weight of the bolt material.
  • the transport of the thixotropic metal bolt from the heating furnace into the casting chamber using a robot typically takes 5 to 30 s and preferably 8 to 15 s.
  • the length of time that the thixotropic metal bolt remains in the casting chamber is typically between 3 and 5 s. This time is for driving away a robotic gripper arm from the casting chamber and for the electronic readiness control a thixoforming device is required.
  • the pretreatment device according to the invention and the one according to the invention Methods are suitable for the provision of thixotropic metal bolts in vertical or horizontal casting chambers. Preferred uses of the invention Methods are described in the use claims 18 and 19.
  • a circular cylinder is used to verify the heating principle in a heating pipe
  • the aluminum bolt is located in a heating pipe during the heating process Stainless steel with a wall thickness of 5 mm.
  • the heating pipe and thus the Metal bolts rest on a heat insulation plate at the lower end.
  • the end of the heating tube protrudes about 5 mm from its circular top edge the upper edge of the bolt.
  • the upper end of the heating pipe is not closed, so that the change in length using a laser interferometer during the whole heating process can be measured.
  • thermocouples lying parallel to the longitudinal axis of the bolt, whereby - with respect to the concentric longitudinal axis of the aluminum bolt - a first thermocouple for measuring the edge temperature T 0 is introduced in the edge region of the aluminum bolt, a second thermocouple for measuring the temperature T. 1 is positioned in the middle between the center of the bolt and the edge of the bolt and a third thermocouple for measuring the temperature T 2 is arranged approximately 5 mm from the center of the bolt.
  • the thermocouples are inserted approx. 50 mm deep into the bolt.
  • the time-dependent temperature profiles T 0 (t), T 1 (t) and T 2 (t) measured with the three thermocouples mentioned are shown in FIG. 3 and - within a measurement accuracy of ⁇ 1% - all essentially show the same temperature profile.
  • An aluminum bolt is used to investigate the dimensional stability of the thixotropic bolt
  • the geometric shape of the thixotropic aluminum bolt shows that the Dimensional stability is given, i.e. the thixotropic aluminum bolt essentially has - apart from the thermal expansion - the same shape as the original Aluminum studs.
  • FIG. 1 The drawings a) to c) of Fig. 1 each show a vertical longitudinal section along the concentric longitudinal axis l of a metal bolt 10, respectively. through the Device elements 14, 20, 30, in which the metal bolt 10 during the Pretreatment is, the heating process of the metal bolt 10 in one horizontal position happens.
  • Fig. 1 a shows the loading of a in a solid physical state Metal bolt 10 in a horizontally lying heating pipe 14.
  • the heating pipe 14 is closed with plug-shaped closure elements 16, 18, the Closure elements 16, 18 on the one hand on the end faces 15 of the heating tube 14 rest and on the other hand close flush with the metal bolt 10, i.e. the Closure elements 16, 18 lie within the heating tube 14 on the end faces 12 of the metal bolt 10.
  • the heating tube 14 containing the metal bolt 10 and closed with the closure elements 16, 18 is inserted horizontally into the heating space 21 of an induction furnace 20.
  • the heating tube 14 is located in the middle of the heating space 21 enclosed by induction coils 22, ie the concentric longitudinal axis of the heating space 21 and the concentric longitudinal axis l of the metal bolt 10 coincide.
  • the metal bolt initially expands in all directions.
  • T solidus solidus
  • the metal bolt 10 abuts the heating tube 14, so that the metal bolt 10 essentially does not expand any further radially, ie the further radial expansion of the metal bolt 10 is due to the usually very small radial expansion of the heating tube 14 limited.
  • the further thermal expansion of the metal bolt 10 after reaching the solidus temperature T solidus is essentially only possible in the direction of its concentric longitudinal axis l, the closure elements 16, 18 being pushed apart from one another in accordance with the thermal expansion of the metal bolt 10, so that the stopper-shaped closure elements 16, 18 no longer rest against the end faces 15 of the heating tube 14.
  • Fig. 1 b shows the discharge of the induction furnace 20, i.e. bringing out the the thixotropic metal bolt 10 containing heating pipe 14 from the heating room 21 of the induction furnace 20.
  • the closure elements 16, 18 are after the discharge of the induction furnace 20 separated from the heating tube 14.
  • liquid molten metal 24 is removed from the heating tube 14 by removing the liquid Metal 24 can be drained from the heating tube 14, the liquid metal for example, is collected in a drip tray (not shown).
  • FIG. 1 c) shows this in a casting chamber 30 of a horizontal thixoforming device introduced heating tube 14.
  • the heating tube 14 is in the casting chamber cavity 32 of the casting chamber 30 positioned that during the subsequent Thixoform process of the casting piston 34 the thixotropic metal bolt 10 from the Heating pipe 14 can come across, so that the thixotropic metal alloy subsequently through the passage opening 36 into the sprue channels (not shown) and can then be introduced into the mold cavity (not shown).
  • the casting chamber 30 has a recess for receiving the heating tube. This The recess serves on the one hand for centering the heating tube 14 and on the other hand as a stop for setting the heating tube 14 during ejection of the thixotropic metal bolt 10 at the beginning of the thixoforming process.
  • FIG. 2 each show a vertical longitudinal section along the concentric longitudinal axis l of a metal bolt 10, respectively. through the Device elements 14, 20, 30, in which the metal bolt 10 during the Pretreatment is, the heating process of the metal bolt 10 in one vertical bolt position happens.
  • FIG. 2 a shows the insertion of one located in a vertical heating tube 14
  • Metal bolt 10 in a vertically lying, cylindrical heating chamber 21 of an induction furnace 20.
  • the heating tube 14 is at the lower tube end, i.e. at the lower end face 15 of the heating tube 14, with a stopper-shaped closure element 16 closed.
  • the closure element lies on a table top 26.
  • the introduction of the heating tube 14 containing the metal bolt 10 into the induction furnace 20 is done by vertically placing the heating tube 14 on the table top 26, wherein the closure element 16 to lie on the table top 26 comes, and by lifting the table top 26 until the heating tube 14 completely comes to rest in the heating chamber 21 of the induction furnace 20.
  • the heating pipe 14 is located in the middle of the heating space delimited by the induction coils 22 21, i.e. the concentric longitudinal axis of the heating space 21 coincides with the concentric Longitudinal axis l of the metal bolt 10 together.
  • the metal bolt initially expands in the radial as well as in the vertical direction.
  • the metal bolt 10 abuts the heating tube 14 in the radial direction, so that the metal bolt 10 essentially does not expand any further radially, ie the further radial expansion of the metal bolt 10 is due to the usually very small radial one Expansion of the heating tube 14 limited.
  • the further thermal expansion of the metal bolt 10 after reaching the solidus temperature T solidus is essentially only possible in the vertical direction, parallel to its concentric longitudinal axis l.
  • the upper tube end 15 of the heating tube 14 is open, so that the metal bolt 10 can expand thermally without hindrance.
  • Fig. 2 b shows the induction furnace 20 after the heating tube 14 with the thixotropic metal bolt 10 is led out of the heating chamber 21.
  • the leading out the thixotropic metal bolt is done by lowering the Table top 26.
  • Fig. 2 c shows that led out of the furnace in the vertical direction thixotropic metal bolt 10 containing, fixed vertically on the table top 26 Heating tube 14, which also with the plug-shaped closure element 16 is tightly closed.
  • FIG. 2 d shows that separated from the table top 26 and the closure element 16, the heating tube 14 containing the thixotropic metal bolt 10 in a horizontal manner Location.
  • the heating tube 14 is expediently separated from the Closure element 16 and the transfer of the heating tube into a horizontal Position using a robot.
  • the robot arm is used to lift the To heat up the heating tube 14 from the table top 26 and the closure element 16 Low power.
  • the closure element 16 closes the heating tube 14 in a form-fitting manner tight.
  • the tightness is only to avoid the outflow of liquid Metal required so that due to the surface tension of the liquid metal the closure element 16 essentially only in a form-fitting manner in the heating tube 14 must grip and therefore no high friction between the heating tube 14 and the closure element 16 is required.
  • the thixotropic metal bolt is clamped in the heating tube in this way, i.e. whose Adhesion is so great that the heating tube in the vertical direction from the closure element can be lifted off without the thixotropic metal bolt 10 the heating tube 14 falls.
  • the vertical lifting of the heating tube 14 from on the Table top 26 fixed closure element 16 also allows dripping of the liquid metal 24 formed during the heating process outside of the heating furnace 20.
  • FIG. 2 e shows this in a casting chamber 30 of a horizontal thixoforming device introduced heating tube 14.
  • the heating tube 14 is in the casting chamber cavity 32 of the casting chamber 30 positioned that during the subsequent Thixoform process of the casting piston 34 the thixotropic metal bolt 10 from the Heating pipe 14 can come across, so that the thixotropic metal alloy subsequently through the passage opening 36 into the sprue channels (not shown) and can then be introduced into the mold cavity (not shown).
  • the casting chamber 30 has a recess for receiving the heating tube. This The recess serves on the one hand to center the heating tube 14 and on the other hand as a stop for setting the heating tube 14 during ejection of the thixotropic metal bolt 10 at the beginning of the thixoforming process.
  • Inserting the thixotropic metal bolt 10 into the casting chamber cavity 32 the casting chamber 30 is expediently done by means of a robot.
  • the The thixotropic metal bolt must be inserted so gently that the Shape retention of the bolt 10 guaranteed after insertion into the casting chamber 30 is.
  • the heating curve shows a typical heating curve until the solidus temperature T solidus of an aluminum bolt 10 located in a heating pipe 14 according to the invention is reached in a resistance furnace.
  • the heating curve relates to a circular cylindrical aluminum bolt 10 with a diameter of 100 mm and a length of 200 mm in a vertical position in a heating tube 14 made of stainless steel, the heating tube 14 having a wall thickness of 5 mm and the lower end face 12 of the aluminum bolt 10 a heat insulation plate 26 rests directly, ie the lower end face 12 of the aluminum bolt 10 and the lower end face 15 of the heating tube 14 lie in the same plane.
  • the heating curve i.e. the time-dependent bolt temperature
  • the heating curve is continuously recorded during the heating process by means of thermocouples lying parallel to the longitudinal axis l of the bolt, whereby - with respect to the concentric longitudinal axis l of the aluminum bolt 10 - a first thermocouple for measuring the edge temperature T 0 (t) in the edge area of the Aluminum bolt 10 is inserted, a second thermocouple for measuring the temperature T 1 (t) is positioned in the middle between the center of the bolt and the edge of the bolt and a third thermocouple for measuring the temperature T 2 (t) is arranged approximately 5 mm from the center of the bolt.
  • the thermocouples are inserted approximately 50 mm deep into the bolt 10.
  • the time-dependent temperature profiles T 0 (t), T 1 (t) and T 2 (t) measured with the three thermocouples mentioned are shown in FIG. 3 and - within a measurement accuracy of ⁇ 1% - all essentially show the same temperature profile.
  • FIG. 4 shows an example of a typical temperature-dependent deformation curve during the heating process of an aluminum bolt 10 according to the invention, which is shown by the heating curve in FIG. 3. From FIG. 4 it can be seen that the aluminum bolt 10 is at approximately 560 ° until the solidus temperature T solidus is reached C extends in the longitudinal direction essentially linearly, depending on the temperature, by approx. 1.5 mm, the thermal linear expansion ⁇ L (T) increasing suddenly above the solidus temperature.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorbehandlungsvorrichtung zur Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens in einer Giesskammer einer Thixoformeinrichtung, enthaltend einen Behälter für die Aufnahme eines Metallbolzens, einen Ofen zur Überführung des im Behälter befindlichen Metallbolzens in einen teilflüssigen, thixotropen Zustand, sowie eine Transportvorrichtung für das Transportieren und Einführen des thixotropen Metallbolzens in die Giesskammer, und die Verwendung der Vorbehandlungsvorrichtung. Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes Verfahren nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 12, und die Verwendung des Verfahrens.
Das Thixoformen betrifft die Herstellung von Formteilen aus thixotropen Metallbolzen. 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 den Legierungen dieser Metalle bestehen.
Beim Thixoformen werden die thixotropen Eigenschaften teilflüssiger bzw. teilfester Metalllegierungen ausgenützt. Die thixotropen Eigenschaften einer Metalllegierung bedeuten, dass ein entsprechend vorbereitetes Metall sich unbelastet wie ein Festkörper verhält, unter Schubbeanspruchung 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 einer modifizierten Druckgiessmaschine, einer sogenannten Thixoformeinrichtung, zu Formteilen verarbeitet. Die zum Thixoformen eingesetzten Druckgiessmaschinen unterscheiden sich gegenüber den Druckgiessmaschinen zum Druckgiessen von Metallschmelzen durch beispielsweise eine länger ausgestaltete Giesskammer zur Aufnahme des thixotropen Metallbolzens und einen dadurch benötigten grösseren Kolbenhub, und beispielsweise einer mechanisch verstärkten Ausgestaltung der die thixotrope Metalllegierung führenden Teile der Druckgiessmaschine infolge der höheren Druckbelastung dieser Teile während dem Thixoformen.
Das Aufheizen der Metallbolzen geschieht üblicherweise in einem separaten Ofen. Die Beheizung der Öfen kann mit Brennstoff, wie beispielsweise Gas oder Öl, oder elektrischer Energie, wie beispielsweise mittels einer Widerstandsheizung oder mittels induktiver Energieeinbringung, geschehen.
Der Aufheizung der Metallbolzen kommt, in Bezug auf den grossen Einfluss, welcher der Zustand des in die Giesskammer eingeführten Bolzens auf die Qualität des Produktes ausübt, eine grosse Bedeutung zu, da:
  • der Bolzenzustand, d.h. seine Teilfestigkeit, üblicherweise nur in einem kleinen Temperaturbereich vorhanden ist,
  • lang dauernde Aufheizzeiten, beispielsweise der Bildung einer dicken Oxidhaut oder einer möglichen Kornvergröberung wegen, vermieden werden sollen,
  • und zur Erzielung eines homogenen Endproduktes die Temperaturverteilung im thixotropen Metallbolzen, dem sogenannten Thixo-Rohling, möglichst homogen sein soll.
Deshalb geschieht das Überführen des Metalibolzens in den thixotropen Zustand, d.h. die Erwärmung des Bolzens bis der gewünschte Legierungsanteil aufgeschmolzen ist, zweckmässigerweise durch eine mit Sensoren geregelte Ofentemperatur.
Zum Aufheizen der Metallbolzen werden diese üblicherweise in ein schalenförmiges Behältnis, beispielsweise in eine metallische Schale aus rostfreiem Stahl, oder einem Tiegel aus Ton-Graphit oder Ton-SiC gegeben und in horizontaler Lage in den thixotropen Zustand überführt.
Der thixotrope Metallbolzen kann dann, beispielsweise in demselben Behälter, mittels beispielsweise einem Greifer zur Giesskammer einer Horizontal-Thixoformeinrichtung transferiert und durch Kippen des Behälters in die Giesskammer eingeführt werden. In diesem Fall bleibt der Metallbolzen während dem Aufheizprozess und dem Transport bis zur Giesskammer in demselben Behälter.
Die EP-A-0 645 206 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von mechanisch hoch beanspruchten Teilen durch Thixoformen, welche eine eingangs beschriebene Vorbehandlungsvorrichtung enthält. Dabei werden die Metallbolzen in tassenförmigen Behältern in einem rohrförmigen Durchlaufofen in den thixotropen Zustand überführt, und der den thixotropen Bolzen enthaltende Behälter wird mittels einem Roboter zur Giesskammer transportiert, und durch Kippen des Behälters wird der thixotrope Bolzen in die Giesskammer befördert.
Die EP-B-0 713 736 beschreibt eine Haltevorrichtung zum induktiven Aufheizen von Bolzen aus Metalllegierungen mit thixotropen Eigenschaften und zum Halten und Transportieren der Bolzen bis zum Vergiessen. Die Haltevorrichtung ist dabei eine speziell gestaltete wannenförmige Schale.
Die in der Praxis angewandten technischen Lösungen hinsichtlich der Bolzen-Aufheizung und dem Bolzen-Transport von thixotropen Metallbolzen gewährleisten oft weder eine ausreichende thermische Homogenität des in die Giesskammer eingeführten Bolzens, noch die für die Erreichung einer stabilen Qualität notwendige Wiederholbarkeit des Aufheizprozesses. Die thermische Inhomogenität manifestiert sich beispielsweise in einer in Bezug auf den Bolzenquerschnitt unregelmässigen Verteilung des Flüssiganteils, wobei dies oft zu einer lokalen Anschmelzung des Metallbolzens, insbesondere an den Metallbolzen-Enden, führt. Als Folge davon kann sich die Geometrie des Bolzens wesentlich verändern (Ovalisierung, Krater), was in der Anfangsphase des Thixoformprozesses üblicherweise ein Eindringen von Luft und/oder von Aluminium-Oxiden in die Formkavität bewirkt und als Konsequenz zu einer Erhöhung des Ausschusses führt.
Ein weiteres Problem während des Aufheizprozesses kann sich durch das Austreten von flüssigem Metall aus dem Bolzen ergeben, da solches flüssiges Metall während dem Transport des Behälters, beispielsweise noch innerhalb des Ofens, nach aussen dringen kann, was häufig das Innere des Ofens, insbesondere bei Verwendung eines Induktionsofens, beschädigt. Hierbei ist zu beachten, dass das während dem Bolzen-Aufheizprozess aus dem Metallbolzen austretende Volumen von flüssigem Metall typischerweise bis zu 10 % des Bolzenvolumens betragen kann.
Ein weiteres Problem durch das Ausscheiden von flüssigem Metall während dem Aufheizprozess kann entstehen, wenn flüssiges Metall in die Giesskammer eingefüllt wird, da dadurch Vorerstarrungen in der Giesskammer entstehen können, welche dann eine Vielzahl von Defekten, wie Lufteinschlüsse oder Strukturinhomogenitäten, im Thixo-Formteil verursachen können.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Vermeidung der vorgenannten Nachteile des Standes der Technik und die Angabe einer Vorbehandlungsvorrichtung und eines Verfahrens zur reproduzierbaren Bereitstellung von thixotropen Metallbolzen in einer Giesskammer einer Thixoformeinrichtung, wobei der thixotrope Metallbolzen eine homogene Temperaturverteilung und einen über den ganzen Bolzenquerschnitt und die ganze Bolzenlänge homogen verteilten Flüssiganteil aufweist, und das Auslaufen von flüssigem Metall in den Aufheizofen sowie das Einbringen von flüssigem Metall in die Giesskammer vermieden werden. Eine weitere Aufgabe vorliegender Erfindung ist der Erhalt der Bolzen-Gestalt während dem Aufheizprozess und dem Transport des thixotropen Bolzens zur Giesskammer und während dessen Einführen in die Giesskammer. Eine noch weitere Aufgabe vorliegender Erfindung wird in der Möglichkeit einer Erhöhung der Transportgeschwindigkeit gesehen, da dadurch die während dem Bolzentransport vom Ofen zur Giesskammer sich ergebende Abkühlung verringert wird.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Vorbehandlungsvorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben.
Das erfindungsgemässe, neue Konzept, demgemäss sich der Metallbolzen während dem ganzen Vorbehandlungsprozess in einem hohlzylinderförmigen Behälter, dem sogenannten Aufheizrohr, befindet:
  • garantiert eine homogene und symmetrische Erwärmung in achsialer und radialer Richtung des Bolzens;
  • minimiert während dem Aufheizprozess in einem Induktionsofen die Inhomogenitäten des magnetischen Feldes an den Rändern des Bolzens;
  • verhindert übermässiges Aufschmelzen der Bolzenoberfläche;
  • gewährleistet den Formerhalt des Bolzens während dem Aufheizprozess, dem Transport zur Giesskammer und in der Giesskammer;
  • beseitigt den Einfluss von allfällig vorhandenen, strukturellen Inhomogenitäten und der chemischen Zusammensetzung des Metallbolzens auf den Erwärmungsprozess;
  • ermöglicht die Anwendung einer billigeren und effizienteren Erwärmung mittels Induktionsfeld mit einer gegenüber dem Stand der Technik höheren Frequenz;
  • vermeidet - abgesehen vom Metallbolzen und dem Aufheizrohr - das Erfordernis und die Anwesenheit anderer Metallelemente innerhalb eines Induktionsofens, was die Störung der Homogenität des magnetischen Feldes innerhalb eines Induktionsofens minimiert;
  • ermöglicht eine gegenüber dem Stand der Technik präzisere Kontrolle des Erwärmungsprozesses durch direkte Messung der Temperatur des Aufheizrohres und der während dem Aufheizprozess sich einstellenden, thermischen Längenausdehnung des Metallbolzens, wobei die Längenausdehnung des Metallbolzens während dem Aufheizprozess oberhalb der Solidustemperatur des Bolzenmaterials proportional zum Flüssiganteil ist;
  • eliminiert die Notwendigkeit der Verwendung von Kompensationsplatten an den Bolzenenden innerhalb eines Induktionsofens zur Homogenisierung des magnetischen Feldes, was die Kosten für die Vorbehandlungsvorrichtung senkt und ihre Funktionssicherheit erhöht; und
  • ermöglicht einen gegenüber dem bekannten Stand der Technik schnelleren Transport des thixotropen Metallbolzens vom Aufheizofen in die Giesskammer.
Die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung eignet sich für alle Metallbolzen aus handelsüblichen Legierungen, die in einen thixotropen Zustand überführt werden können. Besonders geeignete Metallbolzenmaterialien sind Legierungen aus Aluminium, Magnesium oder Zink. Insbesondere werden Aluminium-Gusssowie Aluminium-Knetlegierungen bevorzugt. Die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung eignet sich vorteilhaft auch für die Verarbeitung von partikelverstärkten Aluminiumlegierungen, die beispielsweise homogen verteilte SiC- oder Al2O3-Partikel enthalten. Ganz besonders geeignet ist die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung für Aluminiumlegierungen, die ein ausgeprägtes Erstarrungsintervall aufweisen, wie beispielsweise AlSi7Mg.
Die Metallbolzen enthalten zweckmässigerweise homogen verteilte, primär erstarrte Festteilchen, die aus einzelnen degenerierten Dentriten bestehen. Bevorzugt beträgt der Anteil an primär erstarrten Festteilchen zwischen 40 und 80 Gew.-%. Zur Erzielung eines guten thixotropen Verhaltens muss beispielsweise bei Aluminiumlegierungen der Alpha-Mischkristall in globulistischer Form vorliegen, um ein gleichmässiges Fliessen von Schmelze und Feststoff zu erreichen.
Die degenerierten Dendriten der Metallbolzen weisen allgemein vorzugsweise eine globulistische Gestalt auf, wodurch ein gleichmässig homogenes Fliessen von Schmelze und Feststoff ohne Entmischung erreicht werden kann. Die Herstellung von Metallbolzen mit einem Gefüge mit globulistischen Dentriten erfolgt u.a. durch ein Stranggiessverfahren, kombiniert mit einem intensiven elektromagnetischen Rühren auch während der Erstarrungphase. Dadurch kommt es zum Abschmelzen und Abbrechen von Dentritenarmen, die sich nahe der Solidustemperatur einformen und das globulistische Gefüge bilden.
Die für das Thixoformen benötigten Metallbolzen werden vorgängig zum Thixoformprozess mittels der erfindungsgemässen Vorbehandlungsvorrichtung auf eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur und unterhalb der Liquidustemperatur, d.h. bis zur Erreichung eines teilfesten, thixotropen Zustandes, aufgeheizt.
Im teilfesten Zustand enthält die thixotrope Legierung, der sogenannte thixotrope Legierungsbrei, die zurückentwickelten dentritischen, primärfesten Partikel in einer diese umgebenden Matrix aus flüssigem Metall. Bevorzugt enthält der thixotrope Legierungsbrei einen Flüssiganteil von 40 Gew.-% bis 50 Gew.-% und insbesondere zwischen 43 Gew.-% und 48 Gew.-%.
Während dem Aufheizprozess können sich die Metallbolzen bezüglich ihrer Längsachse in vertikaler oder horizontaler Lage befinden.
Zur Überführung des Metallbolzens in einen thixotropen Zustand wird bevorzugt ein Induktionsofen verwendet. Dabei ist beispielsweise eine Primärspule um den Behälter angeordnet, wobei der in der Primärspule fliessende Wechselstrom im Behälter und/oder im Metallbolzen ein magnetisches Wechselfeld induziert. Die Erwärmung des Aufheizrohres bzw. des Metallbolzens geschieht durch das magnetische Wechselfeld, welches im Aufheizrohr bzw. im Metallbolzen kräftige Wirbelströme und dadurch eine entsprechende Ewärmung hervorruft. Die Eindringtiefe der Wirbelströme und somit die Tiefe der erwärmten Schicht ist frequenzabhängig; bei Anwendung hoher Frequenzen erfolgt eine rasche Aufheizung vorwiegend der oberflächennahen Schichten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Aufheizrohres besteht dieses aus einem Metall. Bevorzugt werden dazu Metalle der Reihe der eisen-kohlenstoffhaltigen Metalle, wie Stahl, Edelstahl, Thermax-Stahl, Warmarbeitsstahl oder aus der Reihe der Metalle Tantal, Niob, Vanadium, Wolfram oder Titan oder Legierungen davon verwendet. Weiter bevorzugt werden Aufheizrohre aus Kupfer oder seinen Legierungen. Speziell bevorzugt werden Aufheizrohre aus Stahl und insbesondere aus Edelstahl oder Werkzeugstahl.
Wird für den Aufheizprozess in einem Induktionsofen ein metallenes Aufheizrohr, insbesondere ein Aufheizrohr aus Stahl, verwendet, so durchdringt das magnetische Feld im wesentlichen nur das Aufheizrohr, so dass der Induktionsofen im wesentlichen nur das Aufheizrohr direkt aufheizt und die Erwärmung des Metallbolzens fast ausschliesslich durch Wärmeleitung vom Aufheizrohr in den Metallbolzen geschieht. Die Aufheizung des Bolzenmaterials geschieht somit durch Aufheizung des Aufheizrohres und durch Wärmeleitung vom Aufheizrohr auf das Bolzenmaterial. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit eines metallenen Aufheizrohres ergibt sich eine radialsymmetrischen Wärmeleitung vom Aufheizrohr auf den Metallbolzen, sofern der Metallbolzen über seinen gesamten Umfang in thermischem Kontakt mit dem Aufheizrohr ist. Die radialsymmetrische Wärmeleitung bewirkt dann auch eine radialsymmetrische Temperaturverteilung im Metallbolzen, wobei durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metallbolzens sich sehr schnell ein geringer radialer Temperaturgradient einstellt.
Durch die erfindungsgemässe Aufheizvorrichtung mit einem metallenen Aufheizrohr wird eine sehr homogene Temperatur- und damit auch eine sehr homoge Flüssigmetall-Verteilung im ganzen Metallbolzen erreicht. Dies insbesondere auch, weil die direkte Energieeinbringung in das Aufheizrohr geschieht und das Bolzenmaterial nur indirekt durch Wärmeleitung aufgeheizt wird, so dass allfällige, lokal vorhandene Unterschiede in der Gefügestruktur oder in der chemischen Zusammensetzung des Bolzenmaterials keinen Einfluss auf die direkte Energieeinbringung haben.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Aufheizrohres kann dieses aus keramischem Material bestehen. Bei Verwendung derartiger Aufheizrohre in einem Induktionsofen durchdringt das magnetische Feld das Aufheizrohr, d.h. das keramische Material des Aufheizrohres ist für das magnetische Feld transparent. Die Aufheizung des Metallbolzens geschieht dann durch direkte Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Induktionsofens.
Geeignete keramische Materialien sind beispielsweise Al2O3, AL3O4, BN, SiC, Si3N4, MgO, TiO, ZrO2, stabilisierte, wie Yttrium-stabilisierte ZrO2, Gläser oder feuerfeste Zemente oder Mischungen, welche die genannten Materialien enthalten. Weiter bevorzugt kann das Aufheizrohr aus faserverstärktem keramischem Material bestehen oder solche Materialien enthalten, und die Fasern des faserverstärkten keramischen Materials können beispielsweise aus SiC, Al2O3, Glas oder Kohlenstoff sein.
Zur Gewährleistung des Einführens des Metallbolzens in das Aufheizrohr ist der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres im kalten Zustand, insbesondere bei Raumtemperatur, d.h. bei einer Temperatur von 15°C bis 30°C, zweckmässigerweise etwas grösser als der Bolzendurchmessers dB des kalten Metallbolzens.
Der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres in Abhängigkeit des Bolzendurchmessers dB wird bevorzugt derart gewählt, dass der Metallbolzen im kalten Zustand, insbesondere bei Raumtemperatur, d.h. bei einer Temperatur von 15°C bis 30°C, um ein Mass Δd von ca. 0.5 mm, vorzugsweise 0.5 ± 0.3 mm, insbesondere 0.5 ± 0.1 mm, kleiner als der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres ist.
Während des Aufheizprozesses dehnt sich der Metallbolzen in radialer und achsialer Richtung aus, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt der Bolzendurchmessers dB dem Innendurchmesser dR des Aufheizrohres entspricht, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Innendurchmesser dR ebenfalls temperaturabhängig ist.
Bei Verwendung eines metallenen Aufheizrohres, insbesondere bei Verwendung eines Aufheizrohres aus Stahl, wird während dem Aufheizprozess des Metallbolzens - sobald infolge der Wärmeausdehnung der Bolzendurchmesser dB gleich dem Innendurchmesser dR des Aufheizrohres entspricht - eine sehr gleichmässige, radialsymmetrische Wärmeübertragung vom Aufheizrohr auf den Metallbolzen gewährleistet. Eine radialsymmetrisch gleichmässige Wärmeübertragung ist insbesondere nach Erreichen der Solidustemperatur des Metallbolzens von grosser Bedeutung, da eine lokal überhöhte Temperatur in einem Temperaturbereich oberhalb der Solidustemperatur eine entsprechende lokale Aufschmelzung des Bolzenmaterials bewirkt und folglich unbedingt vermieden werden soll.
Im Rahmen der erfinderischen Tätigkeit hat sich gezeigt, dass die Verwendung einer dünnen Schmierschicht zur Vermeidung eines Anhaftens des Metallbolzens am Aufheizrohr praktisch keinen Einfluss auf die Wärmeübertragung zwischen dem Bolzen und dem Aufheizrohr bewirkt. Dabei ist zu beachten, dass die als Trennmittel eingesetzten Schmiermittel - falls überhaupt notwendig - meist nur bei Aufheizrohren aus Metall eingesetzt werden, d.h. bei Verwendung von Aufheizrohren aus keramischem Material werden üblicherweise keine Trennmittel benötigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorbehandlungsvorrichtung wird der Werkstoff des Aufheizrohres und der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres derart gewählt, dass der Metallbolzen bei seiner Solidustemperatur Tsolidus im Wesentlichen denselben Durchmesser dB wie der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres aufweist. Weiter bevorzugt erfüllt der Bolzendurchmesser dB bei Tsolidus die Beziehung 0.996 dR ≤ dB ≤ dR , besonders bevorzugt 0.998 dR ≤ dB ≤ dR und insbesondere 0.999 dR ≤ dB ≤ dR .
Die Metallbolzen sind zylinderförmig und weisen in der Regel einen runden oder ovalen Querschnitt auf, können jedoch auch polygonalen Querschnitts sein. Der Durchmesser der Metallbolzen im kalten Zustand beträgt beispielsweise 50 bis 180 mm, zweckmässigerweise 75 bis 150 mm und bevorzugt 100 bis 150 mm. Die Länge der Metallbolzen beträgt im kalten Zustand beispielsweise 80 bis 500 mm.
Beim Aufheizen des Metallbolzens dehnt sich der Metallbolzen wie auch das Aufheizrohr aus. Unterschiedliche Materialien weisen verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Stahl oder keramischem Material ist wesentlich kleiner als derjenige von beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Demzufolge dehnt sich beispielsweise ein Metallbolzen aus einer Aluminiumlegierung stärker aus als ein Aufheizrohr aus beispielsweise Stahl oder keramischem Material, so dass - ausgehend von einem im kalten Zustand gegenüber dem Innendurchmesser des Aufheizrohres kleineren Durchmesser des Metallbolzens - der Metallbolzen bei einer bestimmten Temperatur den gleichen Durchmesser wie das Aufheizrohr aufweist. Erfindungsgemäss bevorzugt ist nun, dass bei der Solidustemperatur Tsolidus des Metallbolzenmaterials der Durchmesser des Metallbolzens im Wesentlichen dem Durchmesser des Aufheizrohres entspricht, so dass im Temperaturbereich, in dem die thixotropen Eigenschaften des Metallbolzens im Wesentlich eingestellt werden, ein optimaler thermischer Kontakt zwischen Aufheizrohr und Metallbolzen gebildet wird. Bei Erwärmung des den Metallbolzen enthaltenden Aufheizrohres über die Solidustemperatur Tsolidus hinaus, findet die Aufschmelzung des Eutektikums statt, verbunden mit einer Volumenvergrösserung des Metallbolzens. Das Eutektikum von für das Thixoformen geeigneten Aluminiumlegierungen bildet sich typischerweise bei ca. 550 bis 570 °C. Die Volumenvergrösserung im Bereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur beträgt bei thixotropen Aluminiumlegierungen typischerweise ca. 1.0 bis 5.5 % und insbesondere zwischen 1.5 bis 3 %. Bei der Aufheiz- oder Erwärmungsphase oberhalb der Solidustemperatur Tsolidus, welche bei für das Thixoformen geeigneten Aluminiumlegierungen typischerweise ca. 520 bis 550 °C beträgt, kann sich das Bolzenmaterial nur noch in Längsrichtung des Aufheizrohres ausdehnen, sofern die Bedingung, wonach bei Tsolidus der Bolzendurchmesser dB dem Durchmesser dR des Aufheizrohres entspricht, erfüllt ist. Bei Aluminiumlegierungen manifestiert sich die Volumenvergrösserung zwischen Solidus- und Liquiduszustand - abhängig von der Bolzenlänge - in einer Zunahme der Bolzenlänge von typischerweise ca. 3 bis 16 mm und insbesondere von 3 bis 6 mm. Die Längenzunahme eines Aluminiumbolzens unterhalb der Solidustemperatur beträgt - abhängig von der Bolzenlänge - typischerweise zwischen 1 und 2 mm.
Aufgrund der Längenänderung des Metallbolzens während seiner Überführung in den thixotropen Zustand und zum wenigstens teilweisen Einführen von Verschlusselementen in den Hohlraum des Aufheizrohres muss die Länge des Aufheizrohres grösser als die Bolzenlänge sein. Vorzugsweise wird die Länge des Aufheizrohres derart gewählt, dass das Aufheizrohr insgesamt ca. 5 bis 30 mm, insbesondere 10 bis 20 mm, länger ist als der darin zu erwärmende Metallbolzen. Bei einer Aufheizung des Metallbolzens in horizontaler Lage steht somit auf jeder Seite des Aufheizrohres die Stirnseite des Aufheizrohres gegenüber der Simseite des Metallbolzens bevorzugt um ca. 2.5 bis 15 mm und insbesondere um 5 bis 10 mm vor. Bei einer Aufheizung des Metallbolzens in vertikaler Lage steht die Stirnseite des Aufheizrohres am oberen Rohrende gegenüber der Stirnseite des Metallbolzens bevorzugt um ca. 5 bis 30 mm und insbesondere um 10 bis 20 mm vor.
Die Wanddicke des Aufheizrohres beträgt für Stahlrohre bevorzugt 1 bis 5 mm, für Kupferrohre bevorzugt 4 bis 10 mm und für keramische Rohre bevorzugt 8 bis 15 mm.
Das erfindungsgemässe Aufheizrohr ist beidseits verschliessbar. Dazu werden bevorzugt Verschlusselemente aus keramischem Material verwendet. Als keramische Materialien für die Verschlusselemente eignen sich dieselben vorbeschriebenen Materialien wie für die eine bevorzugte Ausführungsvariante des Aufheizrohres aus keramischem Material. Keramisches Material weist gegenüber dem Metallbolzenmaterial eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die radiale Temperaturverteilung an den stirnseitigen Randbereichen des Metallbolzens durch solche Verschlusselemente nur wenig beeinflusst wird.
Bei einer während dem Aufheizprozess im Wesentlichen horizontalen Lage des Metallbolzens wird das Aufheizrohr auf seinen beiden Stirnseiten zweckmässigerweise mittels Verschlusselementen, bevorzugt durch stopfen- oder zapfenförmige Verschlusselemente, dicht verschlossen. Die Dichtheit bezieht sich dabei auf die Vermeidung des Austretens von flüssigem Metall aus dem Aufheizrohr während dem Aufheizprozess.
Weiter bevorzugt sind die stopfen- oder zapfenförmige Verschlusselemente bezüglich Materialwahl und Form derart ausgebildet, dass deren Reibungseigenschaften im Aufheizrohr einerseits eine durch die thermische Ausdehnung des Metallbolzens während dem Aufheizprozess bedingte Verschiebung in Richtung der Längsachse des Aufheizrohres erlauben und andererseits eine Verschiebung durch den vom Metallbolzen auf die Verschlusselemente ausgeübten Druck nach Erreichen der für den gewünschten thixotropen Zustand erforderlichen Temperatur vermieden wird. Die Verschlusselemente werden vorgängig dem Aufheizprozess bevorzugt soweit in das Aufheizrohr geschoben, dass diese in direktem mechanischem Kontakt zu den Stirnseiten des Metallbolzens stehen. Dadurch verschieben sich die Verschlusselemente während dem Aufheizvorgang im Aufheizrohr infolge der thermischen Längenausdehnung des Metallbolzens.
Bei einer während dem Aufheizprozess im Wesentlichen senkrechten Metallbolzen-Lage wird das Aufheizrohr einseitig, am unteren Rohrende dicht verschlossen. Auch hier bezieht sich die Dichtheit nur auf die Vermeidung des Ausfliessens von flüssigem Metall aus dem Aufheizrohr. Das Aufheizrohr kann dazu mit einer Stirnseite direkt auf einer bevorzugt höhenverstellbaren Tischplatte, vorzugsweise auf einer Tischplatte aus keramischem Material, festgelegt werden, oder das Aufheizrohr kann mittels einem Verschlusselement, bevorzugt durch ein stopfen- oder zapfenförmiges Verschlusselement, dicht verschlossen und mittels diesem Verschlusselement auf einer bevorzugt höhenverstellbaren Tischplatte aus beliebigem, wärmefesten Material in vertikaler Position festgelegt werden. Insbesondere bei Verwendung eines stopfen- oder zapfenförmigen Verschlusselementes ist das Verschlusselement bezüglich Materialwahl und Form bevorzugt derart ausgebildet, dass einerseits während dem Aufheizprozess im Ofen kein flüssiges Metall aus dem Aufheizrohr austreten kann und andererseits die Reibung des Verschlusselementes im Aufheizrohr weniger als 10 N beträgt.
Die Reibung des Verschlusselementes muss gering sein, damit ein Greifarm einer Transportvorrichtung, insbesondere ein Robotergreifarm, das Aufheizrohr ohne grosse Kraftaufwendung, d.h. ohne dass der Greifarm für grosse mechanische Beanspruchungen ausgelegt werden muss, vom auf der Tischplatte festgelegten Verschlusselement abheben kann. Andererseits ist eine hohe Reibung für die Erreichung einer hohen Dichtheit auch nicht erforderlich, da das Verschlusselement nur das Auslaufen von flüssigem Metall während dem Aufheizvorgang verhindern muss und aufgrund der Kohäsion von Metallschmelzen, insbesondere von Aluminiumschmelzen, dies keine hohe Dichtheit erfordert. Zweckmässigerweise beträgt die Reibung des Verschlusselementes im Aufheizrohr weniger als 30 N, bevorzugt zwischen 2 und 20 N und insbesondere zwischen 5 und 10 N.
Die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung eignet sich für die Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens in einer Giesskammer einer Vertikal- oder Horizontal-Thixoformeinrichtung. Besonders vorteilhaft ist diese Vorbehandlungsvorrichtung jedoch für die Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens in einer horizontal liegenden Giesskammer, da hierbei der Formerhalt mit der erfindungsgemässen Vorrichtung besonders gut gewährleistet werden kann. Bei einer Horizontal-Thixoformeinrichtung liegt die Giesskammer, die den thixotropen Metallbolzen aufnimmt, waagrecht.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemässe Vorrichtung für die Bereitstellung von thixotropen Metallbolzen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Aluminiumbolzen werden dabei ganz besonders bevorzugt in einem Induktionsofen mit einem vertikal liegenden Aufheizraum aufgeheizt.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 12 bis 14 beschrieben. Die für die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung gemachten Aussagen hinsichtlich besonderer Merkmale und Einzelheiten gelten sinngemäss auch für das erfindungsgemässe Verfah ren.
Das den thixotrope Metallbolzen enthaltende Aufheizrohr wird nach dem Aufheizvorgang und nach allfälligem Abtropfen von während dem Aufheizvorgang aus dem Metallbolzen ausgetretener Metallschmelze durch beispielsweise einen Roboter zur Giesskammer transportiert und in den vorderen, halboffenen Teil der Giesskammer eingelegt. Nach der Vorbehandlung, d.h. zu Beginn des eigentlichen Thixoformprozesses, schiebt der Giesskolben den Metallbolzen aus dem Aufheizrohr in einen geschlossenen Teil der Giesskammer; danach wird die thixotrope Metalllegierung durch eine Durchgangsöffnung in Eingusskanäle und danach in die Formkavität eingeleitet. Nach dem Thixoformprozess wird der Giesskolben zurückgezogen, so dass danach ein Greifarm der Transportvorrichtung das Aufheizrohr wieder aus der Giesskammer abholen und der Verwendung für weitere Vorbehandlungsverfahren zuführen kann. Die Rückführung des Aufheizrohres zur Weiterverwendung für weitere Vorbehandlungsverfahren geschieht zweckmässigerweise während der Erstarrungsphase der thixotropen Metallegierung in der Formkavität. Das sich während der Erstarrung der thixotropen Metalllegierung in der Formkavität ausbildende Gussgefüge bestimmt wesentlich die Eigenschaften der Formteile. Die Gefügeausbildung ist gekennzeichnet durch die Phasen, wie Mischkristall und eutektische Phasen, das Gusskorn, wie Globuliten und Dendriten, Seigerungen als auch Gefügefehler wie Porosität (Gasporen, Mikrolunker) und Verunreinigungen, wie beispielsweise Oxide.
Bevorzugt wird nach dem Aufheizprozess, jedoch vor dem Einführen des den thixotropen Metallbolzen enthaltenden Aufheizrohres in die Giesskammer, das während dem Aufheizprozess aus dem Metallbolzen ausgetretene, flüssige Metall wenigstens teilweise aus dem Aufheizrohr entfernt. Der während dem Aufheizprozess aus dem Metallbolzen austretende Flüssigmetall-Anteil beträgt typischerweise weniger als 1 Gew.-% des Bolzenmaterials.
Der Transport des thixotropen Metallbolzens vom Aufheizofen in die Giesskammer mittels einem Roboter dauert typischerweise 5 bis 30 s und bevorzugt 8 bis 15 s. Die Zeitdauer, während der der thixotrope Metallbolzen in der Giesskammer verbleibt, beträgt typischerweise zwischen 3 und 5 s. Diese Zeit wird für das Wegfahren eines Roboter-Greifarmes aus der Giesskammer und für die elektronische Bereitschaftskontrolle einer Thixoformeinrichtung benötigt.
Das erfindungsgemässe Vorbehandlungsverfahren bringt wesentliche Vorteile, insbesondere:
  • es führt zu einer wesentlichen Reduktion der Wärmeverluste des thixotropen Metalles während dem Transport vom Aufheizofen zur Giesskammer und in der Giesskammer dank des bis auf die gleiche Temperatur wie der Metallbolzen erwärmten Aufheizrohres;
  • durch das Absetzen des Metallbolzens innerhalb des Aufheizrohres in die Giesskammer, insbesondere in die Giesskammer einer Horizontal-Thixoformeinrichtung, eliminiert es den Schock des Falls, was die Beibehaltung der Form und der Homogenität des Metallbolzens gewährleistet;
  • es vermeidet die Trennung des Flüssiganteils beim Einlegen des thixotropen Metallbolzens in die Giesskammer, so dass damit verbundene Vorerstarrungen von Flüssigmetall in der Giesskammer vermieden werden;
  • es verhindert zu einem wesentlichen Teil die Oxidation der Metallbolzenoberfläche, da der Metallbolzen während des Aufheizvorganges und dem Transport in die Giesskammmer und dessen Aufenthalt in der Giesskammer bis zum Beginn des eigentlichen Thixoformprozesses nicht einer freien Atmosphäre ausgesetzt ist;
  • es vermindert das Risiko von Lufteinschlüssen und von Oxiden in der Giesskammer während der Füllphase der Formkavität, da einerseits die Oxidbildung vermindert wird und andererseits durch den Formerhalt des Metallbolzens während der Vorbehandlung auch Lufteinschlüsse durch Bolzenverformungen vermieden werden.
Die genannten Vorteile haben einen direkten Einfluss auf die Qualität der produzierten Formteile; dadurch wird der Ausschuss verringert.
Die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren eignen sich zur Bereitsstellung von thixotropen Metallbolzen in vertikal oder horizontal liegenden Giesskammern. Bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Verwendungsansprüchen 18 und 19 beschrieben.
Beispiel:
Für die Verifikation des Erwärmungsprinzips in einem Aufheizrohr wird ein kreiszylinderförmiger Aluminiumbolzen mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 200 mm in vertikaler Lage in einem Ofen mit einer Widerstandsheizung auf eine erforderliche Temperatur oberhalb der Solidustemperatur aufgeheizt, wobei die Endtemperatur und das zeitabhängige Temperaturprofil des Aufheizofens derart gewählt werden, dass am Ende des Aufheizprozesses ein thixotroper Metallbolzen mit einem Flüssiganteil von ca. 50 Gew.-% vorliegt. Der Aluminiumbolzen befindet sich während des Aufheizprozesses in einem Aufheizrohr aus Edelstahl mit einer Wanddicke von 5 mm. Das Aufheizrohr und somit auch der Metallbolzen liegen am unteren Ende auf einer Wärmeisolationsplatte auf. Am oberen Ende des Aufheizrohres ragt dessen kreisförmige Oberkante etwa 5 mm über den oberen Bolzenrand vor. Das obere Ende des Aufheizrohres ist nicht verschlossen, so dass die Längenänderung mittels einem Laser-Interferometer während dem ganzen Aufheizprozess gemessen werden kann.
Die Bolzentemperatur wird mittels parallel zur Bolzen-Längsachse liegenden Thermoelementen während dem Aufheizprozess kontinuierlich erfasst, wobei - bezüglich der konzentrischen Längsachse des Aluminiumbolzens - ein erstes Thermoelement zur Messung der Randtemperatur T0 im Randbereich des Aluminiumbolzens eingeführt ist, ein zweites Thermoelement zur Messung der Temperatur T1 in der Mitte zwischen Bolzenmitte und Bolzenrand positioniert wird und ein drittes Thermoelement zur Messung der Temperatur T2 ungefähr 5 mm von der Bolzenmitte entfernt angeordnet ist. Die Thermoelemente werden ca. 50 mm tief in den Bolzen gesteckt. Die mit den genannten drei Thermoelementen gemessenen, zeitabhängigen Temperaturprofile T0(t), T1(t) und T2(t) sind in Fig. 3 dargestellt und zeigen - innerhalb einer Messgenauigkeit von ± 1 % - im Wesentlichen alle denselben Temperaturverlauf.
Die während des in Fig. 3 dargestellten Aufheizprofiles gemessene Längenänderung des Metallbolzens ist in Fig. 4 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass sich der Aluminiumbolzen bis zum Erreichen der Solidustemperatur in Längsrichtung um ca. 1.5 mm ausdehnt, wobei oberhalb der Solidustemperatur die thermische Längenausdehnung stark zunimmt.
Zur Untersuchung der Formstabilität des thixotropen Bolzens wird ein Aluminiumbolzen erfindungsgemäss in senkrechter Lage aufgeheizt bis der thixotrope Bolzen einen Flüssiganteil von ca. 50 Gew.-% aufweist, dann aus dem Ofen genommen, in eine horizontale Lage überführt und aus dem Aufheizrohr ausgestossen. Die Prüfung der geometrischen Gestalt des thixotropen Aluminiumbolzens zeigt, dass die Formstabilität gegeben ist, d.h. der thixotrope Aluminiumbolzen hat im Wesentlichen - abgesehen der thermischen Ausdehnung - dieselbe Gestalt wie der ursprüngliche Aluminiumbolzen.
Im Weiteren wird festgestellt, dass während dem Aufheizprozess nur sehr wenig flüssiges Metall aus dem Metallbolzen austritt. Zudem behält der thixotrope Bolzen seine glatte Oberfläche auch während dem Aufheizprozess. Oxidationsspuren können an der Oberfläche keine beobachtet werden. Die Prüfung der Flüssigmetall-Verteilung mittels einem Schneidtest zeigt weiter, dass die Homogenität des thixotropen Zustandes ebenfalls sehr gut erfüllt ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren 1 bis 4, sowie anhand der Zeichnungen.
Fig. 1
zeigt schematisch die zeitliche Abfolge der wesentlichen Verfahrensschritte für die Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens in der Giesskammer einer Horizontal-Thixoformeinrichtung, wobei der Metallbolzen in einer Horizontallage in den thixotropen Zustand überführt wird;
Fig. 2
zeigt schematisch die zeitliche Abfolge der wesentlichen Verfahrensschritte für die Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens in der Giesskammer einer Horizontal-Thixoformeinrichtung, wobei die Aufheizung des Metallbolzens in einer vertikalen Lage geschieht;
Fig. 3
zeigt beispielhaft eine typische Aufheizkurve;
Fig. 4
zeigt beispielhaft eine typische temperaturabhängige Deformationskurve eines Metallbolzens während eines erfindungsgemässen Aufheizvorganges.
Die Zeichnungen a) bis c) von Fig. 1 zeigen jeweils einen vertikalen Längsschnitt entlang der konzentrischen Längsachse ℓ eines Metallbolzens 10, resp. durch die Vorrichtungselemente 14, 20, 30, in denen sich der Metallbolzen 10 während der Vorbehandlung befindet, wobei der Aufheizvorgang des Metallbolzens 10 in einer horizontalen Lage geschieht.
Fig. 1 a) zeigt das Laden eines in einem festen Aggregatzustand befindlichen Metallbolzens 10 in ein horizontal liegendes Aufheizrohr 14. Das Aufheizrohr 14 wird mit stopfenförmigen Verschlusselementen 16, 18 verschlossen, wobei die Verschlusselemente 16, 18 einerseits an den Stirnseiten 15 des Aufheizrohres 14 anliegen und andererseits mit dem Metallbolzen 10 bündig schliessen, d.h. die Verschlusselemente 16, 18 liegen innerhalb des Aufheizrohres 14 an den Stirnseiten 12 des Metallbolzens 10 an.
Das den Metallbolzen 10 enthaltende und mit den Verschlusselementen 16, 18 verschlossene Aufheizrohr 14 wird waagrecht in den Aufheizraum 21 eines Induktionsofens 20 eingeschoben. Dabei befindet sich das Aufheizrohr 14 in der Mitte des von Induktionsspulen 22 umschlossenen Aufheizraumes 21, d.h. die konzentrische Längsachse des Aufheizraumes 21 und die konzentrische Längsachse ℓ des Metallbolzens 10 fallen zusammen. Während des Aufheizvorganges dehnt sich der Metallbolzen anfänglich in allen Richtungen aus. Wenn der Metallbolzen seine Solidustemperatur Tsolidus erreicht, stösst der Metallbolzen 10 am Aufheizrohr 14 an, so dass sich der Metallbolzen 10 radial im Wesentlichen nicht mehr weiter ausdehnt, d.h. die weitere radiale Ausdehnung des Metallbolzens 10 ist auf die üblicherweise sehr geringe radiale Ausdehnung des Aufheizrohres 14 beschränkt. Demnach ist die weitere thermische Ausdehnung des Metallbolzens 10 nach Erreichen der Solidustemperatur Tsolidus im Wesentlichen nur in Richtung seiner konzentrischen Längsachse ℓ möglich, wobei die Verschlusselemente 16, 18 entsprechend der thermischen Ausdehnung des Metallbolzens 10 voneinander weggeschoben werden, so dass die stopfenförmigen Verschlusselemente 16, 18 nicht mehr an den Stirnseiten 15 des Aufheizrohres 14 anliegen.
Fig. 1 b) zeigt das Entladen des Induktionsofens 20, d.h. das Herausführen des den thixotropen Metallbolzen 10 enthaltenden Aufheizrohres 14 aus dem Aufheizraum 21 des Induktionsofens 20. Die Verschlusselemente 16, 18 werden nach dem Entladen des Induktionsofens 20 vom Aufheizrohr 14 getrennt. Im Weiteren wird die während dem Aufheizvorgang aus dem Metallbolzen 10 ausgetretene, flüssige Metallschmelze 24 aus dem Aufheizrohr 14 entfernt, indem man das flüssige Metall 24 aus dem Aufheizrohr 14 abtropften lässt, wobei das flüssige Metall beispielsweise in einer Auffangschale (nicht eingezeichnet) aufgefangen wird.
Fig. 1 c) zeigt das in eine Giesskammer 30 einer Horizontal-Thixoformeinrichtung eingeführte Aufheizrohr 14. Dabei ist das Aufheizrohr 14 derart im Giesskammerhohlraum 32 der Giesskammer 30 positioniert, dass während dem nachfolgenden Thixoformprozess der Giesskolben 34 den thixotropen Metallbolzen 10 aus dem Aufheizrohr 14 stossen kann, so dass die thixotrope Metalllegierung anschliessend durch die Durchgangsöffnung 36 in die Eingusskanäle (nicht eingezeichnet) und dann in die Formkavität (nicht eingezeichnet) eingeleitet werden kann. Die Giesskammer 30 weist eine Aussparung für die Aufnahme des Aufheizrohres auf. Diese Aussparung dient einerseits für die Zentrierung des Aufheizrohres 14 und andererseits als Anschlag für das Festlegen des Aufheizrohres 14 während dem Herausstossen des thixotropen Metallbolzens 10 zu Beginn des Thixoformprozesses.
Die Zeichnungen a) bis e) von Fig. 2 zeigen jeweils einen vertikalen Längsschnitt entlang der konzentrischen Längsachse ℓ eines Metallbolzens 10, resp. durch die Vorrichtungselemente 14, 20, 30, in denen sich der Metallbolzen 10 während der Vorbehandlung befindet, wobei der Aufheizvorgang des Metallbolzens 10 in einer vertikalen Bolzen-Lage geschieht.
Fig. 2 a) zeigt das Einführen eines in einem senkrechten Aufheizrohr 14 befindlichen Metallbolzens 10 in einen vertikal liegenden, zylinderförmigen Aufheizraum 21 eines Induktionsofens 20. Das Aufheizrohr 14 ist am unteren Rohrende, d.h. an der unteren Stirnseite 15 des Aufheizrohres 14, mit einem stopfenförmigen Verschlusselement 16 verschlossen. Das Verschlusselement liegt auf einer Tischplatte 26 auf. Das Einführen des den Metallbolzen 10 enthaltenden Aufheizrohres 14 in den Induktionsofen 20 geschieht durch senkrechtes Aufsetzen des Aufheizrohres 14 auf die Tischplatte 26, wobei das Verschlusselement 16 auf die Tischplatte 26 zu liegen kommt, und durch Heben der Tischplatte 26 bis das Aufheizrohr 14 vollständig in den Aufheizraum 21 des Induktionsofens 20 zu liegen kommt. Das Aufheizrohr 14 befindet sich mittig im durch die Induktionsspulen 22 begrenzten Aufheizraum 21, d.h. die konzentrische Längsachse des Aufheizraumes 21 fällt mit der konzentrischen Längsachse ℓ des Metallbolzens 10 zusammen.
Während des Aufheizvorganges dehnt sich der Metallbolzen anfänglich in radialer wie auch in senkrechter Richtung aus. Wenn der Metallbolzen seine Solidustemperatur Tsolidus erreicht, stösst der Metallbolzen 10 in radialer Richtung am Aufheizrohr 14 an, so dass sich der Metallbolzen 10 radial im Wesentlichen nicht mehr weiter ausdehnt, d.h. die weitere radiale Ausdehnung des Metallbolzens 10 ist auf die üblicherweise sehr geringe radiale Ausdehnung des Aufheizrohres 14 beschränkt. Demnach ist die weitere thermische Ausdehnung des Metallbolzens 10 nach Erreichen der Solidustemperatur Tsolidus im Wesentlichen nur in senkrechter Richtung, parallel zu seiner konzentrischen Längsachse ℓ möglich. Das obere Rohrende 15 des Aufheizrohres 14 ist offen, so dass sich der Metallbolzen 10 ungehindert nach oben thermisch ausdehnen kann.
Fig. 2 b) zeigt den Induktionsofen 20, nachdem das Aufheizrohr 14 mit dem thixotropen Metallbolzen 10 aus dem Aufheizraum 21 herausgeführt ist. Das Herausführen des thixotropen Metallbolzens geschieht hierbei durch Absenkung der Tischplatte 26.
Fig, 2 c) zeigt das in senkrechter Richtung aus dem Ofen herausgeführte, den thixotropen Metallbolzen 10 enthaltende, senkrecht auf der Tischplatte 26 festgelegte Aufheizrohr 14, welches zudem noch mit dem stopfenförmigen Verschlusselement 16 dicht verschlossen ist.
Fig. 2 d) zeigt das von der Tischplatte 26 und dem Verschlusselement 16 getrennte, den thixotropen Metallbolzen 10 enthaltende Aufheizrohr 14 in horizontaler Lage. Zweckmässigerweise geschieht die Trennung des Aufheizrohres 14 vom Verschlusselement 16 und die Überführung des Aufheizrohres in eine horizontale Lage mittels einem Roboter. Dabei ist die vom Roboterarm für das Abheben des Aufheizrohres 14 von der Tischplatte 26 und dem Verschlusselement 16 aufzuwendene Kraft gering.
Das Verschlusselement 16 verschliesst das Aufheizrohr 14 formschlüssig und dicht. Die Dichtheit wird jedoch nur zur Vermeidung des Ausfliessens von flüssigem Metall gefordert, so dass aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Metalls das Verschlusselement 16 im Wesentlichen nur formschlüssig in das Aufheizrohr 14 greifen muss und daher keine hohe Reibung zwischen Aufheizrohr 14 und Verschlusselement 16 erforderlich ist.
Der thixotrope Metallbolzen ist derart im Aufheizrohr eingeklemmt, d.h. dessen Adhäsion ist so gross, dass das Aufheizrohr in vertikaler Richtung vom Verschlusselement abgehoben werden kann, ohne dass der thixotrope Metallbolzen 10 aus dem Aufheizrohr 14 fällt. Das vertikale Abheben des Aufheizrohres 14 vom auf der Tischplatte 26 festgelegten Verschlusselement 16 erlaubt zudem das Abtropfen des sich während dem Aufheizvorgang gebildeten flüssigen Metalles 24 ausserhalb des Aufheizofens 20.
Fig. 2 e) zeigt das in eine Giesskammer 30 einer Horizontal-Thixoformeinrichtung eingeführte Aufheizrohr 14. Dabei ist das Aufheizrohr 14 derart im Giesskammerhohlraum 32 der Giesskammer 30 positioniert, dass während dem nachfolgenden Thixoformprozess der Giesskolben 34 den thixotropen Metallbolzen 10 aus dem Aufheizrohr 14 stossen kann, so dass die thixotrope Metalllegierung anschliessend durch die Durchgangsöffnung 36 in die Eingusskanäle (nicht eingezeichnet) und dann in die Formkavität (nicht eingezeichnet) eingeleitet werden kann. Die Giesskammer 30 weist eine Aussparung für die Aufnahme des Aufheizrohres auf. Diese Aussparung dient einerseits zur Zentrierung des Aufheizrohres 14 und andererseits als Anschlag für das Festlegen des Aufheizrohres 14 während dem Herausstossen des thixotropen Metallbolzens 10 zu Beginn des Thixoformprozesses.
Das Einlegen des thixotropen Metallbolzens 10 in den Giesskammerhohlraum 32 der Giesskammer 30 geschieht zweckmässigerweise mittels einem Roboter. Das Einlegen des thixotropen Metallbolzens hat dabei so sanft zu erfolgen, dass der Formerhalt des Bolzens 10 nach dem Einlegen in die Giesskammer 30 gewährleistet ist.
Fig. 3 zeigt eine typische Aufheizkurve bis zur Erreichung der Solidustemperatur Tsolidus eines in einem erfindungsgemässen Aufheizrohr 14 befindlichen Aluminiumbolzens 10 in einem Widerstandsofen. Die Aufheizkurve betrifft einen in einem Aufheizrohr 14 aus Edelstahl befindlichen, kreiszylinderförmigen Aluminiumbolzen 10 mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 200 mm in vertikaler Lage, wobei das Aufheizrohr 14 eine Wanddicke von 5 mm aufweist und die untere Stirnseite 12 des Aluminiumbolzens 10 auf einer Wärmeisolationsplatte 26 direkt aufliegt, d.h. die untere Sirnseite 12 des Aluminiumbolzens 10 und die untere Stirnseite 15 des Aufheizrohres 14 liegen in derselben Ebene.
Die Aufheizkurve, d.h. die zeitabhängige Bolzentemperatur, wird mittels parallel zur Bolzen-Längsachse ℓ liegenden Thermoelementen während dem Aufheizprozess kontinuierlich erfasst, wobei - bezüglich der konzentrischen Längsachse ℓ des Aluminiumbolzens 10 - ein erstes Thermoelement zur Messung der Randtemperatur T0(t) im Randbereich des Aluminiumbolzens 10 eingeführt ist, ein zweites Thermoelement zur Messung der Temperatur T1(t) in der Mitte zwischen Bolzenmitte und Bolzenrand positioniert wird und ein drittes Thermoelement zur Messung der Temperatur T2(t) ungefähr 5 mm von der Bolzenmitte entfernt angeordnet ist. Die Thermoelemente werden ca. 50 mm tief in den Bolzen 10 gesteckt. Die mit den genannten drei Thermoelementen gemessenen, zeitabhängigen Temperaturprofile T0(t), T1(t) und T2(t) sind in Fig. 3 dargestellt und zeigen - innerhalb einer Messgenauigkeit von ± 1 % - im Wesentlichen alle denselben Temperaturverlauf.
Fig. 4 zeigt beispielhaft eine typische temperaturabhängige Deformationskurve während des in Fig. 3 durch die Aufheizkurve dargestellten, erfindungsgemässen Aufheizvorganges eines Aluminiumbolzens 10. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass sich der Aluminiumbolzen 10 bis zum Erreichen der Solidustemperatur Tsolidus bei ca. 560°C in Längsrichtung im Wesentlichen linear temperaturabhängig um ca. 1.5 mm ausdehnt, wobei oberhalb der Solidustemperatur die thermische Längenausdehnung ΔL(T) sprunghaft zunimmt.

Claims (16)

  1. Vorbehandlungsvorrichtung zur Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens (10) in einer Giesskammer (30) einer Thixoformeinrichtung, enthaltend einen Behälter für die Aufnahme eines Metallbolzens (10), der homogen verteilte, primär erstarrte Festteilchen aus einzelnen degenerierten Dendriten enthält, einen von der Thixoformeinrichtung räumlich getrennten Ofen (20) zur Überführung des im Behälter befindlichen Metallbolzens (10) in einen teilflüssigen, thixotropen Zustand, sowie eine Transportvorrichtung für das Transportieren und Einführen des thixotropen Metallbolzens (10) in die Giesskammer (30),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Behälter ein zylinderförmiges, seitlich durch stopfen- oder zapfenförmige Verschlusselemente (16, 18) verschliessbares Aufheizrohr (14) darstellt, wobei die Verschlusselemente (16, 18) derart gestaltet sind, dass diese beim aus dem Ofen (20) herausgeführten Aufheizrohr (14) vor dem Einführen des Aufheizrohres (14) in die Giesskammer (30) wegnehmbar sind, und der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres (14) in Abhängigkeit des Bolzendurchmessers dB derart gewählt ist, dass der Metallbolzen (10) bei seiner Solidustemperatur Tsolidus im Wesentlichen denselben Durchmesser dB wie der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres (14) aufweist, und die Vorbehandlungsvorrichtung dergestalt ausgebildet ist, dass der Metallbolzen (10) während der ganzen Vorbehandlung, nämlich dem Aufheizprozess im Ofen (20) und dem Transport in die Giesskammer (30) und dem Verweilen in der Giesskammer (30) bis zum Beginn des Thixoformprozesses, im Aufheizrohr (14) verbleiben kann.
  2. Vorbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizrohr (14) aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl oder Werkzeugstahl, besteht.
  3. Vorbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizrohr (14) aus keramischem Material besteht.
  4. Vorbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer während dem Aufheizprozess im Wesentlichen horizontalen Lage des Metallbolzens (10) das Aufheizrohr (14) beidseits durch Verschlusselemente (16, 18) dicht verschlossen ist, wobei die Verschlusselemente (16, 18) bezüglich Materialwahl und Form derart ausgebildet sind, dass deren Reibungseigenschaften im Aufheizrohr (14) einerseits eine durch die thermische Ausdehnung des Metallbolzens (10) während dem Aufheizprozess bedingte Verschiebung in Richtung der Längsachse ℓ des Aufheizrohres (14) erlauben und andererseits eine Verschiebung durch den vom Metallbolzen (10) auf die Verschlusselemente (16, 18) ausgeübten Druck nach Erreichen der für den gewünschten thixotropen Zustand erforderlichen Temperatur vermieden wird.
  5. Vorbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer während dem Aufheizprozess im Wesentlichen senkrechten Metallbolzen-Lage das Aufheizrohr (14) einseitig, am unteren Rohrende (15) verschlossen ist, wobei bei Verwendung eines Verschlusselementes (16) das Verschlusselement (16) bezüglich Materialwahl und Form derart ausgebildet ist, dass einerseits während dem Aufheizprozess im Ofen (20) kein flüssiges Metall (24) aus dem Aufheizrohr (14) austreten kann und andererseits die Reibung des Verschlusselementes (16) im Aufheizrohr (14) weniger als 10 N beträgt.
  6. Vorbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlusselemente (16, 18) aus keramischem Material bestehen.
  7. Vorbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (20) ein Induktionsofen ist.
  8. Vorbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportvorrichtung einen Roboter darstellt, wobei die Klemmvorrichtung des Roboters zur Halterung des Aufheizrohres wenigstens an der gegen das Aufheizrohr gerichteten Oberfläche aus keramischem Material besteht.
  9. Verwendung der Vorbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens (10) in einer Giesskammer (30) einer Horizontal-Thixoformeinrichtung.
  10. Verwendung der Vorbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens (10) aus einer Aluminiumlegierung.
  11. Verfahren zur Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens (10) in einer Giesskammer (30) einer Thixoformeinrichtung, wobei ein Metallbolzen (10), der homogen verteilte, primär erstarrte Festteilchen aus einzelnen degenerierten Dendriten enthält, in einem festen Aggregatzustand in einen Behälter gegeben und der im Behälter befindliche Metallbolzen (10) in einem von der Thixoformeinrichtung räumlich getrennten Ofen (20) solange aufgeheizt wird, bis sich der Metallbolzen (10) in einem thixotropen Zustand befindet, und der thixotrope Metallbolzen (10) mit Hilfe einer Transportvorrichtung in die Giesskammer (30) der Thixoformeinrichtung eingeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Behälter ein zylinderförmiges, seitlich durch stopfen- oder zapfenförmige Verschlusselemente (16, 18) verschliessbares Aufheizrohr (14) darstellt, das Aufheizrohr (14) während dem Aufheizprozess des Metallbolzens (10) wenigstens einseitig durch ein stopfen- oder zapfenförmiges Verschlusselement (16, 18) verschlossen wird, der Metallbolzen (10) während dem Aufheizprozess und dem daran anschliessenden Transport in die Giesskammer (30) stets im Aufheizrohr (14) verbleibt, die Verschlusselemente (16, 18) nach dem Herausführen des Aufheizrohres (14) aus dem Ofen (20), jedoch vor dem Einführen des Aufheizrohres (14) in die Giesskammer (30) vom Aufheizrohr (14) getrennt werden, der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres (14) in Abhängigkeit des Bolzendurchmessers dB derart gewählt wird, dass bei Raumtemperatur der Innendurchmesser dR grösser ist als der Bolzendurchmessers dB und bei der Solidustemperatur Tsolldus des Metallbolzens (10) der Bolzendurchmessers dB im Wesentlichen dem Innendurchmesser dR des Aufheizrohres (14) entspricht, und das den Metallbolzen (10) enthaltende Aufheizrohr (14) in der Giesskammer (30) derart positioniert wird, dass während dem nachfolgenden Thixoformprozess der Giesskolben (34) der Thixoformeinrichtung den thixotropen Metallbolzen (10) aus dem Aufheizrohr (14) stossen kann.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufheizprozess, jedoch vor dem Einführen des den thixotropen Metallbolzen (10) enthaltenden Aufheizrohres (14) in die Giesskammer (30), das während dem Aufheizprozess aus dem Metallbolzen (10) ausgetretene, flüssige Metall (24) wenigstens teilweise aus dem Aufheizrohr (14) entfernt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein einends am unteren Rohrende (15) mit einem Verschlusselement (16) dicht verschlossenes, den Metallbolzen (10) enthaltendes Aufheizrohr (14) in vertikaler Position senkrecht auf eine Tischplatte (26) gegeben wird, vorzugsweise auf eine Tischplatte (26) aus keramischem Material, und die Tischplatte (26) in vertikaler Richtung, vorzugsweise von unten, in den Ofen (20) eingeführt und das den Metallbolzen (10) enthaltende Aufheizrohr (14) solange aufgeheizt wird, bis der Metallbolzen (10) sich in einem thixotropen Zustand befindet, und nachfolgend das den thixotropen Metallbolzen (10) enthaltende Aufheizrohr (14) in vertikaler Richtung, vorzugsweise durch eine Absenkung der Tischplatte (26), aus dem Ofen (20) herausgeführt und vom Verschlusselement (16) getrennt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das den Metallbolzen (10) enthaltende Aufheizrohr (14) beidseitig mit je einem in Richtung der konzentrischen Längsachse ℓ des Aufheizrohres (14) verschiebbaren Verschlusselement (16, 18) mit zwischen dem Aufheizrohr (14) und dem Verschlusselement (16, 18) vorgegebenen Reibungseigenschaften dicht verschlossen und in einer im Wesentlichen horizontalen Lage in den Ofen (20) eingeführt wird, wobei während dem Aufheizprozess die beiden Verschlusselemente (16, 18) infolge der thermischern Ausdehnung des Bolzenmaterials (10) voneinander weggeschoben und nach Erreichen des thixotropen Zustandes die Verschlusselemente (16, 18) infolge Reibung in ihrer Position gehalten werden, und nach dem Herausführen des den Metallbolzen (10) enthaltenden Aufheizrohres (14) aus dem Ofen (20) die beiden Verschlusselemente (16, 18) vom Aufheizrohr (14) entfernt werden.
  15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zur Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens (10) in einer Horizontal-Thixoformeinrichtung.
  16. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zur Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens (10) aus einer Aluminiumlegierung.
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