EP1691944A2 - Method for the production of a cast part from a molten metal - Google Patents

Method for the production of a cast part from a molten metal

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EP1691944A2
EP1691944A2 EP04802904A EP04802904A EP1691944A2 EP 1691944 A2 EP1691944 A2 EP 1691944A2 EP 04802904 A EP04802904 A EP 04802904A EP 04802904 A EP04802904 A EP 04802904A EP 1691944 A2 EP1691944 A2 EP 1691944A2
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EP
European Patent Office
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cooling liquid
casting mold
mold
casting
molten metal
Prior art date
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EP04802904A
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German (de)
French (fr)
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EP1691944B1 (en
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Wilfried Bender
Wolfgang Müller
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Individual
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
    • B22C9/068—Semi-permanent moulds

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a cast part from a molten metal, in which the molten metal is poured into a porous casting mold and the porous casting mold filled with molten metal is cooled with the aid of a cooling liquid.
  • EP 0 571 703 B1 discloses an investment casting process for producing metallic castings, in which a porous ceramic casting mold containing the molten metal is immersed in a coolant in a continuous movement after casting. The coolant then passes through the porous ceramic mold and penetrates the mold wall. The area that is wetted by the coolant rushes, the actual immersion depth due to a suitable selection of the immersion speed of the mold in the coolant, the thickness and porosity of the mold wall and the density and viscosity of the coolant, the penetration area of the coolant, viewed in the direction of movement of the solidification front, after the solidification front.
  • a prerequisite for the penetration of cooling liquid into the pores of the known ceramic casting mold is that the cooling liquid acts on the casting mold with a certain pressure.
  • DE 32 40 808 AI also discloses a method and a device for controlled casting cooling in in particular vacuum-compressed sand molds.
  • a cooling medium is passed under pressure through the casting mold containing the casting.
  • the cooling medium is either through a cooling pipe system through the mold or directly into the Sand mold introduced.
  • a major disadvantage of the above-described first cooling method known from the prior art is that it requires expensive ceramic molds that are complex to manufacture and the accuracy with which the cooling of the melt contained in the casting mold, which progresses after wetting, can only be set inaccurately ,
  • the second known method explained above has the disadvantage that the cooling liquid has to be fed into the casting mold under pressure via a complex cooling pipe system.
  • Both the use of ceramic casting molds according to the investment casting process (EP 0 571 703 B1) and the need to introduce piping into the casting mold (DE 32 40 808 AI) mean that complex castings with a controlled solidification process are obtained using these known processes can only be produced at increased cost and manufacturing costs.
  • the known solutions have little flexibility. Adaptation of the casting molds to changing cast part geometries and correspondingly changing requirements for the cooling can be accomplished with the solutions known from the prior art only with great expenditure of time and material.
  • the object of the invention was to provide a method for producing a cast part from a molten metal that was quick and controllable To allow cooling of a casting located in a casting mold in a simple manner with high flexibility at the same time.
  • the invention provides for the porous casting mold used according to the invention to be designed such that it actively draws in the cooling liquid.
  • the casting mold used according to the invention is designed in such a way that it has a capillarity in the region of its sections that come into contact with the cooling liquid, which ensures a surface activity sufficient for the suction of the cooling liquid.
  • the contact angle between the respectively wetted surface section and the liquid surface is consequently less than 90 ° in casting molds used according to the invention, at least in the area of their surface coming into contact with the cooling liquid (see section 11.1.3 in H. Kuchling "Taschenbuch der Physik", 5. Edition, published by Harri Deutsch, Thun and Frankfurt / Main, 1984).
  • the method according to the invention can be used particularly economically in that the absorbent material from which the casting mold is at least partially made is a molding material for the production of lost casting molds, which is mixed from a base material and a binder, and the base material and the Binders of the molding material are matched to one another in such a way that the mold part, when wetted with the cooling liquid, maintains its shape for at least the time required for the formation of a dimensionally stable outer shell of the casting by solidification of the metal melt poured into the mold.
  • the absorbent material from which the casting mold is at least partially made is a molding material for the production of lost casting molds, which is mixed from a base material and a binder, and the base material and the Binders of the molding material are matched to one another in such a way that the mold part, when wetted with the cooling liquid, maintains its shape for at least the time required for the formation of a dimensionally stable outer shell of the casting by solidification of the metal melt poured into the mold.
  • a casting mold is put together from at least one casting mold part.
  • the casting mold part is made from a molding material mixed from a molding sand and a binder, which is brought into an at least temporarily solid shape by a suitable treatment.
  • the molding material can, for example, be brought into the shape of the respective casting mold part in a core molding machine in a manner known per se and then cured by supplying heat, gassing or other measures.
  • the molten metal is then poured into the “lost” casting mold formed from molded parts produced in this way.
  • the casting mold is then wetted with the cooling liquid according to the invention.
  • the surface activity of the finished molded part is set such that liquid coming into contact with it from the molded part is absorbed due to the capillary effect and that the binder and the basic molding material are used in the molded material used to produce the molded part are coordinated with one another in such a way that the molded part remains dimensionally stable over a period of time sufficient for the formation of a solid outer shell of the cast part, even if the coolant is completely saturated at least in sections.
  • cooling of the molten metal can be carried out in a targeted and precisely controlled manner during the solidification phase, without the need for complex device or process engineering measures.
  • the dimensional stability ensured over a sufficient treatment time and the capillarity of the casting mold used in accordance with the invention make it possible in a simple manner to cool the casting in such a way that a certain solidification process is achieved which is optimal for the desired properties of the component.
  • cooling liquid absorbed by the casting mold increases the thermal conductivity of the casting mold and thus the cooling of the melt.
  • the cooling liquid is actively absorbed by the casting mold and penetrates the casting mold completely or only in sections depending on the respective surface activity of the casting mold material, the exposure time, the location of the wetting and the quantity of cooling liquid supplied.
  • a cooling carried out according to the invention can be carried out without problems with a wide variety of cast part geometries. For this purpose, for example, only those parts of the casting mold can be brought into contact with cooling liquid which adjoin regions of great thickness of the casting to be produced.
  • the contour of the casting mold itself can be adapted to the cooling requirements. Since the casting mold has thin wall thicknesses, for example, in the areas in which the cooling according to the invention is to take effect particularly quickly, the liquid wetting the mold reaches these areas particularly quickly, so that particularly intensive cooling is achieved in the areas concerned. At the same time, other areas of the casting mold can be made thicker so that cooling will start later.
  • the cooling liquid gets into the edge layer of the inner surface of the casting mold adjacent to the melt, the cooling liquid starts to evaporate.
  • the energy withdrawal associated with this evaporation brings about a significant reduction in the temperature in the peripheral zone, with the result that the adjacent melt solidifies more quickly.
  • the liquid vapor thus formed at least partially escapes from the mold or condenses with the result that a concentration gradient arises from the wetted outer surface to the inner surface of the casting mold.
  • This additionally promotes the suction of cooling liquid, so that fresh cooling liquid continuously gets into the area of the casting mold heated by the heat of the casting in a continuously and automatically running process.
  • the fact that the evaporation of the coolant, particularly in the initial phase of cooling due to the then still particularly high casting temperature, starts before the coolant reaches the casting itself ensures that the surface quality of the casting is not impaired by the formation of vapor bubbles.
  • the amount of cooling liquid absorbed by the casting mold can be controlled via the duration of contact between the casting mold and the cooling liquid and via the amount of cooling liquid brought into contact. Since the mold draws the cooling fluid automatically, to achieve a cooling of the entire molten metal is complete immersion of the mold into the cooling liquid as little required 'as a introducing cooling fluid into the mold under pressure. With regard to the introduction of cooling liquid, the casting mold thus represents the active part in the procedure according to the invention, while the cooling liquid is only offered, ie is not actively driven into the casting mold.
  • the suction effect is largely determined by the type and shape of the pores present in the casting mold.
  • the cooling effect can also be targeted by setting a specific surface activity of the mold parts influence. Due to the enlarged total surface area, smaller pores lead to a greater capillary action and thus a stronger suction of water.
  • the casting mold wetted with cooling liquid also remains dimensionally stable at least until the metal melt solidifies.
  • this is achieved by a suitable combination of binder and molding material of the molding material.
  • the evaporation of the cooling liquid already occurring in the casting mold due to the heat of the cast metal supports drying of the casting mold. In this way, premature disintegration of the casting mold before solidification of the casting is additionally counteracted.
  • the wetting of the casting mold according to the invention with cooling liquid can be carried out at any point in the solidification phase, that is to say from the start of pouring off the melt to complete solidification and cooling of the casting.
  • the wetting can be maintained continuously or can only be carried out over certain periods of time.
  • the casting mold is at least partially immersed in a cooling liquid bath and thus wetted with the cooling liquid.
  • a cooling liquid bath As a rule, it is not necessary to completely immerse the casting mold in the cooling liquid. Instead, the capillary action ensures that a complete wetting of the casting mold can also be achieved if the mold is only exposed to the coolant in certain sections.
  • the capillary action can also be used in the manner according to the invention to specifically give the cooling liquid a specific direction when it penetrates into the casting mold.
  • the casting mold wets against the force of gravity if the casting mold is brought into contact with the cooling liquid only with its lower area near the floor.
  • the amount of the cooling liquid absorbed by the casting mold can thus be controlled both via the surface activity of the respectively processed casting mold material and the size of the surface wetted with cooling liquid and also via the immersion time. Due to the shape stability of the casting mold, at least during the solidification phase of the molten metal, the cooling liquid bath is not contaminated and can therefore be reused several times.
  • the accuracy with which the cooling liquid is introduced into the casting mold can be increased further by bringing the casting mold into contact with a moisture carrier.
  • coolant can be targeted and flexible in areas of.
  • Casting mold • are brought, which border on cast part areas, which, for example, have a special need for cooling due to their thickness.
  • the moisture carrier is a sponge or a comparable absorbent element.
  • a further possibility of applying the cooling liquid to be taken up by the casting mold is that the casting mold is sprayed with cooling liquid at least in sections.
  • the spray pressure and the sprayed-on amount of liquid are to be coordinated with one another in such a way that the cooling liquid is not driven into the mold, but rather that the respectively sprayed surface sections of the casting mold are acted upon particularly uniformly with a precisely metered amount of liquid. Spraying the casting mold can be used particularly advantageously in an automated processing process.
  • Another particularly easy way of realizing a specific wetting of the casting mold with cooling liquid which is limited to certain areas of the casting mold, provides that pockets are formed on the casting mold.
  • the amount of liquid filled into these pockets forms a supply which is sucked up from the casting mold over a certain time interval.
  • the depth and shape of the pockets can also be designed so that internal areas of the casting mold can be reached by the cooling liquid particularly quickly.
  • the casting mold part is a casting core.
  • cooling can be implemented in a simple manner, particularly in the case of casting cores which are difficult to access.
  • the casting mold can be formed from a core package, that is to say it can be composed of a plurality of casting cores and casting mold parts. With such a casting mold, the advantages of the method according to the invention with regard to accessibility and flexibility are particularly relevant for cooling.
  • molding materials which are mixed with an inorganic binder are particularly suitable for the production of moldings used according to the invention.
  • molded parts that have been hardened using a suitable inorganic binder have a particularly high dimensional stability which persists over a long treatment time when penetrated by cooling liquid. At the same time, they are particularly uncritical with regard to environmental pollution.
  • binder systems based on water glass has proven to be particularly suitable.
  • the molding sand can contain quartz sand which can be obtained inexpensively.
  • the molding material is particularly easy to remove and process if the molding sand contains aluminum oxide sand.
  • a molding sand containing mullite can be used according to the invention.
  • the method according to the invention is particularly suitable for the production of castings from a light metal melt, in particular from an aluminum or a magnesium alloy.
  • Fig. 3 shows the device for cooling of an aluminum mold filled, alternatively designed molds.
  • the device A shown in FIG. 1 serves to cool casting molds 1 after they have been filled with an aluminum melt in a manner known per se.
  • the device A comprises a lifting device 4 and a basin 2 that is filled with a cooling liquid K.
  • the cooling liquid K is water, which is mixed with an additive to improve its wetting ability.
  • the mold parts of the casting molds 1, which are not shown in detail, have been produced from a molding material which has been mixed, for example, from an inorganic, waterglass-based binder system and a mullite-containing molding base material.
  • the molded parts were produced in a machine, also not shown, in which the molding material was cured by the introduction of heat into a shaping space of the machine.
  • the structure of the casting mold and its individual parts corresponds to the conventional structure of such molds, which has been described many times in the prior art, so that no detailed explanation is given here.
  • the casting mold After the aluminum melt has been poured into the casting mold 1 in a manner known per se, the casting mold is transported to the device A and taken over by the lifting device 4. The lifting device 4 then lowers the casting mold 1 into the basin 2.
  • the lowering depth is controlled in such a way that the casting mold. 1 'is in permanent contact with the cooling liquid K starting from its base la.
  • the casting mold is lowered into the cooling liquid K, for example, by approximately one eighth of its height H.
  • the casting mold 1 As soon as the casting mold 1 is immersed in the cooling liquid K, the casting mold 1 actively draws in cooling liquid K against the direction of gravity due to its own surface activity.
  • the direction of the cooling liquid absorption of the casting mold 1 is indicated by arrows P in FIG. 1.
  • a volume region 3 wetted by cooling liquid K forms in the casting mold 1 and extends from the base la over the optimal height H of the casting mold 1 for the respective cooling result.
  • the capillary action and the associated active suction of cooling liquid K through the casting mold 1 have the effect that the volume 3 of the casting mold 1 wetted by the cooling liquid K clearly extends beyond the casting mold section immersed in the cooling liquid K.
  • the cooling liquid K which has penetrated into the casting mold 1 begins to evaporate. In this way, it leads to a strong cooling, with the result that the aluminum melt directly adjacent to the inner walls of the casting mold 1 quickly and evenly solidifies into a solid shell.
  • the evaporating liquid emerges from the casting mold 1 and is replaced by cooling liquid K which, starting from the section immersed in the cooling liquid K, pushes into the casting mold 1.
  • FIGS. 2 and 3 Additional or alternative measures for cooling the casting mold 1 and the melt contained therein are shown in FIGS. 2 and 3. 2, the casting mold 1 is lifted out of the cooling liquid after the previously explained cooling in the cooling liquid bath formed by the cooling liquid K is completed. The cooling liquid K remaining in the casting mold 1 ensures that residual cooling of the lower region 3 of the casting mold is maintained.
  • a cooling liquid mist Kn is now applied to the first lateral area 1b by means of nozzles 5.
  • a sponge 6 impregnated with coolant is applied to the other side area 1c to be cooled.
  • the cooling liquid quantities K applied in this way to the relevant surface sections 1b, 1c of the casting mold 1 are also actively sucked up by the molding material of the casting mold due to the capillary action, so that regions 7, 8 soaked in the cooling liquid K appear in the casting mold 1. In these areas, too, there is a targeted intensive cooling of the melt contained in the casting mold 1.
  • a casting mold 100 which is only varied in terms of its shape compared to the casting mold 1 has an outer pocket 9 molded onto an outer surface of the casting mold 100 and two inner pockets 10, 11 molded into the casting mold 100.
  • the pockets 9, 10, 11 are each filled with coolant K. Starting from the pockets 9, 10, 11, areas 12, 13, 14 penetrated by cooling liquid K, the extent of which depends on the filling level of the pockets 9, 10, 11.
  • the casting mold 1 can be removed from the casting.
  • the quantity, location and, due to the active suction of cooling liquid, the direction of the penetration of the casting molds 1, 100 with cooling liquid K can be easily and precisely and flexibly pretend. In this way, a rapid and directed solidification of the melt is achieved, which leads to particularly good product properties of the casting obtained.

Abstract

Disclosed is a method for producing a cast part from a molten metal, according to which the molten metal is cast into a porous mold (1), and the porous mold (1) that is filled with the molten metal is cooled with the aid of a cooling liquid. In order to achieve specifically controllable quenching of a cast part located in a mold while ensuring great flexibility, the mold (1) is sprinkled with a cooling liquid in the area of at least one section of the exterior surfaces thereof following casting of the molten metal while at least the area of the porous mold (1), which is sprinkled with the cooling liquid, is made of a material whose capillarity is adjusted to the cooling liquid in such a way that the mold (1) automatically picks up at least a partial volume of the cooling liquid that moistens the mold in the area made of said material, the material of the mold (1) absorbing the cooling liquid that moistens the mold.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Gussteils aus einer Metallschmelze Process for producing a casting from a molten metal
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gussteils aus einer Metallschmelze, bei dem die Metallschmelze in eine poröse Gießform vergossen und die mit Metallschmelze gefüllte poröse Gießform mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird.The present invention relates to a method for producing a cast part from a molten metal, in which the molten metal is poured into a porous casting mold and the porous casting mold filled with molten metal is cooled with the aid of a cooling liquid.
Eine beim Gießen von Teilen für Verbrennungsmotore und anderen im praktischen Einsatz hoch belasteten Bauelementen stets zu beachtende Anforderung besteht darin, dass sich im Zuge der Erstarrung des Gussstücks eine bestimmte Gefügestruktur ausbilden soll, die die mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Gussstücks entscheidend bestimmt.A requirement that must always be observed when casting parts for internal combustion engines and other components that are highly stressed in practice is that a certain microstructure should form in the course of the solidification of the casting, which decisively determines the mechanical properties of the casting obtained.
Es ist bekannt, dass eine schnelle Erstarrung der Metallschmelze zu einem feinen Gefüge des Gussteils führt und daher wünschenswert ist. Außerdem ist für ein dichtes Gefüge ein gelenkter Erstarrungsverlauf erstrebenswert.It is known that rapid solidification of the molten metal leads to a fine structure of the cast part and is therefore desirable. In addition, a controlled solidification process is desirable for a dense structure.
In der Praxis lassen sich beide Anforderungen insbesondere dann nur mit großem Aufwand erfüllen, wenn Gussstücke mit stark schwankenden Dicken hergestellt werden sollen. Ein typisches Beispiel für derartige Gussstücke sind aus Leichtmetallschmelzen gegossene Zylinderköpfe oder Motorblöcke, in die neben den jeweils erforderlichen Verbrennungsräumen, Ventilsitzen etc. komplex geformte Kühl- und Ölversorgungskanäle sowie Lagerelemente eingeformt werden sollen.In practice, both requirements can only be met with great effort if castings are to be produced with widely fluctuating thicknesses. A typical example of such castings is cast from light metal melts Cylinder heads or engine blocks in which complex cooling and oil supply channels as well as bearing elements are to be molded in addition to the required combustion chambers, valve seats etc.
Es ist versucht worden, den angestrebten Erstarrungsverlauf durch eine Flüssigkeitskühlung der in der Gießform befindlichen Metallschmelze zu verwirklichen. So ist aus der EP 0 571 703 Bl ein Feingussverfahren zum Herstellen von metallischen Gusskörpern bekannt, bei dem eine die Metallschmelze enthaltende poröse Keramikgießform nach dem Abgießen in einer stetigen Bewegung in eine Kühlflüssigkeit eingetaucht wird. Die Kühlflüssigkeit durchtritt dann die poröse Keramikform und penetriert die Gießformwand. Dabei eilt der Bereich, der von Kühlflüssigkeit benetzt wird, der tatsächlichen Eintauchtiefe aufgrund einer geeigneten Auswahl der Eintauchgeschwindigkeit der Gießform in die Kühlflüssigkeit, der Dicke und Porosität der Gießformwand sowie der Dichte und Viskosität der Kühlflüssigkeit der Penetrationsbereich der Kühlflüssigkeit, in Bewegungsrichtung der Erstarrungsfront gesehen, der Erstarrungsfront nach. Voraussetzung für das Eindringen von Kühlflüssigkeit in die Poren der bekannten keramischen Gießform ist dabei, dass die Kühlflüssigkeit mit einem gewissen Druck auf die Gießform wirkt.Attempts have been made to achieve the desired solidification process by liquid cooling the molten metal in the casting mold. EP 0 571 703 B1, for example, discloses an investment casting process for producing metallic castings, in which a porous ceramic casting mold containing the molten metal is immersed in a coolant in a continuous movement after casting. The coolant then passes through the porous ceramic mold and penetrates the mold wall. The area that is wetted by the coolant rushes, the actual immersion depth due to a suitable selection of the immersion speed of the mold in the coolant, the thickness and porosity of the mold wall and the density and viscosity of the coolant, the penetration area of the coolant, viewed in the direction of movement of the solidification front, after the solidification front. A prerequisite for the penetration of cooling liquid into the pores of the known ceramic casting mold is that the cooling liquid acts on the casting mold with a certain pressure.
Aus der DE 32 40 808 AI ist zudem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gesteuerten Gussstückabkühlung in insbesondere vakuumverdichteten Sandformen bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Kühlmedium unter Druck durch- die das Gussstück enthaltende Gießform geleitet. Das Kühlmedium wird dabei entweder durch ein Kühlrohrsystem durch die Form hindurch oder direkt in die Sandform hineingeleitet. Durch die infolge der 'Hitze der Metallschmelze eintretende Verdampfung des Wassers sollen die noch heiße Form und damit einhergehend das Gussstück gekühlt werden.DE 32 40 808 AI also discloses a method and a device for controlled casting cooling in in particular vacuum-compressed sand molds. In this known method, a cooling medium is passed under pressure through the casting mold containing the casting. The cooling medium is either through a cooling pipe system through the mold or directly into the Sand mold introduced. By entering due to the 'heat of the molten metal evaporation of the water are still hot mold and, consequently, the casting are cooled.
Ein wesentlicher Nachteil des voranstehend erläuterten, aus dem Stand der Technik bekannten ersten Kühlverfahrens ist, dass dazu aufwändig herzustellende, teure Keramikformen erforderlich sind und die Genauigkeit, mit der die der Benetzung nacheilende Abkühlung der in der Gießform enthaltenen Schmelze fortschreitet, nur ungenau eingestellt werden kann.A major disadvantage of the above-described first cooling method known from the prior art is that it requires expensive ceramic molds that are complex to manufacture and the accuracy with which the cooling of the melt contained in the casting mold, which progresses after wetting, can only be set inaccurately ,
Das zweite voranstehend erläuterte bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass die Kühlflüssigkeit unter Druck über ein aufwändiges Kühlrohrsystem in die Gießform geleitet werden muss. Sowohl die Verwendung von keramischen Gießformen nach dem Feingussverfahren (EP 0 571 703 Bl) als auch die Notwendigkeit, eine Verrohrung in die Gießform einzubringen (DE 32 40 808 AI), führen dazu, dass sich mit diesen bekannten Verfahren komplex geformte Gusssteile mit gesteuertem Erstarrungsverlauf nur unter erhöhtem Kosten- und Herstellaufwand erzeugen lassen. Darüber hinaus besitzen die bekannten Lösungen nur eine geringe Flexibilität. Eine Anpassung der Gießformen an wechselnde Gussteilgeometrien und sich dementsprechend ändernde Anforderungen an die Kühlung kann mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nur mit großem Zeit- und Materialaufwand bewerkstelligt -werden.The second known method explained above has the disadvantage that the cooling liquid has to be fed into the casting mold under pressure via a complex cooling pipe system. Both the use of ceramic casting molds according to the investment casting process (EP 0 571 703 B1) and the need to introduce piping into the casting mold (DE 32 40 808 AI) mean that complex castings with a controlled solidification process are obtained using these known processes can only be produced at increased cost and manufacturing costs. In addition, the known solutions have little flexibility. Adaptation of the casting molds to changing cast part geometries and correspondingly changing requirements for the cooling can be accomplished with the solutions known from the prior art only with great expenditure of time and material.
Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, bei einem Verfahren zum Herstellen eines Gussteils aus einer Metallschmelze eine schnelle und gezielt steuerbare Abkühlung eines in einer Gießform befindlichen Gussteils in einfacher Weise bei gleichzeitig hoher Flexibilität zu ermöglichen .The object of the invention was to provide a method for producing a cast part from a molten metal that was quick and controllable To allow cooling of a casting located in a casting mold in a simple manner with high flexibility at the same time.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art die poröse Gießform nach dem Vergießen der Metallschmelze im Bereich mindestens eines Abschnitts ihrer Außenflächen mit einer Kühlflüssigkeit benetzt wird und die poröse Gießform mindestens in dem mit der Kühlflüssigkeit benetzten Bereich aus einem Material erzeugt ist, dessen Kapillarität so auf die Kühlflüssigkeit abgestimmt ist, dass die Gießform in ihrem aus diesem Material erzeugten Bereich mindestens ein Teilvolumen der sie benetzenden Kühlflüssigkeit selbsttätig aufnimmt, indem das Material der Gießform die sie benetzende Kühlflüssigkeit aufsaugt.This object has been achieved according to the invention in that in a method of the type mentioned at the outset, after the metal melt has been poured, the porous casting mold is wetted with a cooling liquid in the region of at least a portion of its outer surfaces, and the porous casting mold from at least in the region wetted with the cooling liquid Material is generated, the capillarity of which is matched to the cooling liquid in such a way that the casting mold automatically absorbs at least a partial volume of the cooling liquid wetting it in its area produced from this material by the material of the casting mold absorbing the cooling liquid wetting it.
Anders als beim eingangs erläuterten Stand der Technik sieht die Erfindung vor, die erfindungsgemäß verwendete poröse Gießform so auszubilden, dass sie die Kühlflüssigkeit aktiv ansaugt. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäß verwendete Gießform so ausgebildet, dass sie im Bereich ihrer mit der Kühlflüssigkeit in Berührung kommenden Abschnitte eine Kapillarität aufweist, durch die eine für das Ansaugen der Kühlflüssigkeit ausreichende Oberflächenaktivität gewährleistet ist. Der Randwinkel zwischen dem jeweils benetzten Oberflächenabschnitt und der Flüssigkeitsoberfläche ist demzufolge bei erfindungsgemäß eingesetzten Gießformen mindestens im Bereich ihrer mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt kommenden Oberfläche kleiner als 90 ° (s. Abschnitt 11.1.3 in H. Kuchling "Taschenbuch der Physik", 5. Auflage, Verlag Harri Deutsch, Thun und Frankfurt/Main, 1984) . Besonders wirtschaftlich lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren dabei dadurch einsetzen, dass das saugfähige Material, aus dem die Gießform mindestens teilweise hergestellt ist, ein Formstoff für die Herstellung von verlorenen Gießformen ist, der aus einem Formgrundstoff und einem Binder gemischt ist, und der Formgrundstoff und der Binder des Formstoffes derart aufeinander abgestimmt sind, dass das Gießformteil bei Benetzung mit der Kühlflüssigkeit seine Gestalt über mindestens die Zeit beibehält, die für die Ausbildung einer formstabilen Außenschale des Gμssstücks durch Erstarrung der in die Gießform eingegossenen Metallschmelze benötigt wird.In contrast to the prior art explained at the outset, the invention provides for the porous casting mold used according to the invention to be designed such that it actively draws in the cooling liquid. For this purpose, the casting mold used according to the invention is designed in such a way that it has a capillarity in the region of its sections that come into contact with the cooling liquid, which ensures a surface activity sufficient for the suction of the cooling liquid. The contact angle between the respectively wetted surface section and the liquid surface is consequently less than 90 ° in casting molds used according to the invention, at least in the area of their surface coming into contact with the cooling liquid (see section 11.1.3 in H. Kuchling "Taschenbuch der Physik", 5. Edition, published by Harri Deutsch, Thun and Frankfurt / Main, 1984). The method according to the invention can be used particularly economically in that the absorbent material from which the casting mold is at least partially made is a molding material for the production of lost casting molds, which is mixed from a base material and a binder, and the base material and the Binders of the molding material are matched to one another in such a way that the mold part, when wetted with the cooling liquid, maintains its shape for at least the time required for the formation of a dimensionally stable outer shell of the casting by solidification of the metal melt poured into the mold.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung wird aus mindestens einem Gießformteil eine Gießform zusammengestellt. Das Gießformteil ist dabei aus einem aus einem Formsand und einem Binder gemischten Formstoff hergestellt, der durch eine geeignete Behandlung in eine mindestens zeitweise feste Form gebracht wird. Zu diesem Zweck kann der Formstoff beispielsweise in an sich bekannter Weise in einer Kernformmaschine in die Form des jeweiligen Gießformteils gebracht und anschließend durch Wärmezufuhr, Begasung oder sonstige Maßnahmen ausgehärtet werden. In die aus derart erzeugten Formteilen gebildete "verlorene" Gießform wird dann die Metallschmelze gegossen. Anschließend erfolgt die erfindungsgemäße Benetzung der Gießform mit der Kühlflüssigkeit.According to this embodiment of the invention, a casting mold is put together from at least one casting mold part. The casting mold part is made from a molding material mixed from a molding sand and a binder, which is brought into an at least temporarily solid shape by a suitable treatment. For this purpose, the molding material can, for example, be brought into the shape of the respective casting mold part in a core molding machine in a manner known per se and then cured by supplying heat, gassing or other measures. The molten metal is then poured into the “lost” casting mold formed from molded parts produced in this way. The casting mold is then wetted with the cooling liquid according to the invention.
Wesentlich ist, dass die Oberflächenaktivität des fertigen Formteils so eingestellt ist, dass von dem Formteil mit ihm in Kontakt kommende Flüssigkeit aufgrund des Kapillareffektes aufgesogen wird und dass gleichzeitig im zur Herstellung des Formteils eingesetzten Formstoff der Binder und der Formgrundstoff so aufeinander abgestimmt sind, dass das Formteil auch bei mindestens abschnittsweise vollständiger Sättigung mit der Kühlflüssigkeit seine Form über einen für die Entstehung einer festen Außenschale des Gussteils ausreichende Zeitdauer formstabil bleibt.It is essential that the surface activity of the finished molded part is set such that liquid coming into contact with it from the molded part is absorbed due to the capillary effect and that the binder and the basic molding material are used in the molded material used to produce the molded part are coordinated with one another in such a way that the molded part remains dimensionally stable over a period of time sufficient for the formation of a solid outer shell of the cast part, even if the coolant is completely saturated at least in sections.
Indem diese Anforderungen eingehalten werden und die Benetzung in geeigneter Weise durchgeführt wird, lässt sich ein Kühlen der Metallschmelze während der Erstarrungsphase gezielt und exakt gesteuert durchführen, ohne dass es dazu aufwändiger vorrichtungs- oder verfahrenstechnischer Maßnahmen bedarf. Die über eine ausreichende Behandlungszeit gesicherte Formstabilität und die Kapillarität der erfindungsgemäß verwendeten Gießform ermöglichen es dabei auf einfache Weise, die Kühlung des Gussstücks so vorzunehmen, dass ein bestimmter, für die angestrebten Eigenschaften des Bauteils optimaler Erstarrungsverlauf erreicht wird.By observing these requirements and carrying out the wetting in a suitable manner, cooling of the molten metal can be carried out in a targeted and precisely controlled manner during the solidification phase, without the need for complex device or process engineering measures. The dimensional stability ensured over a sufficient treatment time and the capillarity of the casting mold used in accordance with the invention make it possible in a simple manner to cool the casting in such a way that a certain solidification process is achieved which is optimal for the desired properties of the component.
Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass durch die von der Gießform aufgenommene Kühlflüssigkeit die Wärmeleitfähigkeit der Gießform und damit die Kühlung der Schmelze erhöht wird. Die Kühlflüssigkeit wird von der Gießform aktiv aufgesogen und durchdringt die Gießform abhängig von der jeweiligen Oberflächenaktivi.tät des Gießformmaterials, der Einwirkungsdauer, dem Ort der Benetzung und der zugeführten Kühlflüssigkeitsmenge ganz oder lediglich abschnittsweise. Auf diese Weise wird die angestrebte schnelle und über die Zuführung von Kühlflüssigkeit gezielt gesteuerte Abkühlung der Abschnitte der bis dahin noch nicht vollständig erstarrten Metallschmelze sichergestellt, die mit den von Kühlflüssigkeit erfassten Gebiete der Gießform in Kontakt kommen . Eine erfindungsgemäß vorgenommene Kühlung lässt sich problemlos bei unterschiedlichsten Gussteilgeometrien durchführen. Dazu können beispielsweise nur die Teile der Gießform mit Kühlflüssigkeit in Kontakt gebracht werden, die an Bereiche großer Dicke des zu erzeugenden Gussteils angrenzen.This is achieved, inter alia, by the fact that the cooling liquid absorbed by the casting mold increases the thermal conductivity of the casting mold and thus the cooling of the melt. The cooling liquid is actively absorbed by the casting mold and penetrates the casting mold completely or only in sections depending on the respective surface activity of the casting mold material, the exposure time, the location of the wetting and the quantity of cooling liquid supplied. In this way, the desired rapid cooling of the sections of the molten metal which has not yet completely solidified and which comes into contact with the areas of the casting mold covered by the cooling liquid is ensured and is controlled in a targeted manner by the supply of cooling liquid. A cooling carried out according to the invention can be carried out without problems with a wide variety of cast part geometries. For this purpose, for example, only those parts of the casting mold can be brought into contact with cooling liquid which adjoin regions of great thickness of the casting to be produced.
Alternativ oder ergänzend kann die Kontur der Gießform selbst an die Kühlungsanforderungen angepasst werden. Indem die Gießform beispielsweise in den Bereichen, in denen die erfindungsgemäße Kühlung besonders schnell wirksam werden soll, dünne Wandstärken aufweist, gelangt die die Form benetzende Flüssigkeit besonders schnell in diese Bereiche, so dass in den betreffenden Bereichen eine besonders intensive Kühlung erreicht wird. Gleichzeitig können andere Bereiche der Gießform dicker ausgebildet werden, damit dort die Kühlung später einsetzt.Alternatively or additionally, the contour of the casting mold itself can be adapted to the cooling requirements. Since the casting mold has thin wall thicknesses, for example, in the areas in which the cooling according to the invention is to take effect particularly quickly, the liquid wetting the mold reaches these areas particularly quickly, so that particularly intensive cooling is achieved in the areas concerned. At the same time, other areas of the casting mold can be made thicker so that cooling will start later.
Zum selben Zweck ist es möglich, einen Abschnitt der Gießform, der einem besonders intensiv zu kühlenden Abschnitt des Gussstücks zugeordnet ist, zuerst mit Kühlflüssigkeit zu benetzen, während andere Abschnitte der Gießform erst später oder gar nicht der Kühlflüssigkeit ausgesetzt werden.For the same purpose, it is possible to first wet a section of the casting mold, which is assigned to a section of the casting to be cooled particularly intensively, with cooling liquid, while other sections of the casting mold are exposed to the cooling liquid only later or not at all.
Wenn die Kühlflüssigkeit in die Randschicht der an die Schmelze angrenzenden Innenfläche der Gießform gelangt, beginnt die Kühlflüssigkeit zu verdampfen. Der mit dieser Verdampfung einhergehende Energieentzug bewirkt eine deutliche Minderung der Temperatur in der Randzone mit der Folge, dass die angrenzende Schmelze schneller erstarrt. Der so gebildete Flüssigkeitsdampf entweicht mindestens teilweise aus der Gießform oder kondensiert mit der Folge, dass sich ein von der benetzten Außenfläche zur Innenfläche der Gießform gerichtetes Konzentrationsgefälle einstellt. Dieses fördert das Ansaugen von Kühlflüssigkeit zusätzlich, so dass in einem kontinuierlich und selbsttätig ablaufenden Vorgang laufend frische Kühlflüssigkeit in den von der Hitze des Gussstücks erwärmten Bereich der Gießform gelangt. Der Umstand, dass die Verdampfung der Kühlflüssigkeit insbesondere in der Anfangsphase der Kühlung infolge der dann noch besonders hohen Gussstücktemperatur bereits einsetzt, bevor die Kühlflüssigkeit das Gussstück selbst erreicht, stellt dabei sicher, dass die Oberflächenqualität des Gussstücks nicht durch Dampfblasenbildung beeinträchtigt wird.When the cooling liquid gets into the edge layer of the inner surface of the casting mold adjacent to the melt, the cooling liquid starts to evaporate. The energy withdrawal associated with this evaporation brings about a significant reduction in the temperature in the peripheral zone, with the result that the adjacent melt solidifies more quickly. The liquid vapor thus formed at least partially escapes from the mold or condenses with the result that a concentration gradient arises from the wetted outer surface to the inner surface of the casting mold. This additionally promotes the suction of cooling liquid, so that fresh cooling liquid continuously gets into the area of the casting mold heated by the heat of the casting in a continuously and automatically running process. The fact that the evaporation of the coolant, particularly in the initial phase of cooling due to the then still particularly high casting temperature, starts before the coolant reaches the casting itself ensures that the surface quality of the casting is not impaired by the formation of vapor bubbles.
Die Menge an durch die Gießform aufgenommener Kühlflüssigkeit kann dabei über die Dauer des Kontakts zwischen Gießform und Kühlflüssigkeit sowie über die Menge an in Kontakt gebrachter Kühlflüssigkeit gesteuert werden. Da die Gießform die Kühlflüssigkeit selbsttätig ansaugt, ist zum Erreichen einer Kühlung der gesamten Metallschmelze ein vollständiges Eintauchen der Gießform in Kühlflüssigkeit ebenso wenig erforderlich, ' wie ein Einleiten von Kühlflüssigkeit in die Gießform unter Druck. In Bezug auf das Einbringen von Kuhlflussigkeit stellt die Gießform bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise somit das aktive Teil dar, während die Kühlflüssigkeit lediglich angeboten wird, also nicht aktiv in die Gießform eingetrieben wird.The amount of cooling liquid absorbed by the casting mold can be controlled via the duration of contact between the casting mold and the cooling liquid and via the amount of cooling liquid brought into contact. Since the mold draws the cooling fluid automatically, to achieve a cooling of the entire molten metal is complete immersion of the mold into the cooling liquid as little required 'as a introducing cooling fluid into the mold under pressure. With regard to the introduction of cooling liquid, the casting mold thus represents the active part in the procedure according to the invention, while the cooling liquid is only offered, ie is not actively driven into the casting mold.
Die Ansaugwirkung wird maßgeblich durch Art und Form der in der Gießform vorhandenen Poren bestimmt. Auch durch die Einstellung einer bestimmten Oberflächenaktivität der Gießformteile lässt sich somit die Abkühlwirkung gezielt beeinflussen. Kleinere Poren führen aufgrund der vergrößerten Gesamtoberfläche zu einer größeren Kapillarwirkung und damit einem stärkeren Ansaugen von Wasser.The suction effect is largely determined by the type and shape of the pores present in the casting mold. The cooling effect can also be targeted by setting a specific surface activity of the mold parts influence. Due to the enlarged total surface area, smaller pores lead to a greater capillary action and thus a stronger suction of water.
Erfindungsgemäß bleibt auch die mit Kühlflüssigkeit benetzte Gießform mindestens bis zur Erstarrung der Metallschmelze formstabil. Dies wird einerseits durch eine geeignete Kombination von Binder und Formgrundstoff des Formstoffs erreicht. Zum anderen unterstützt die infolge der Hitze des Gussmetalls schon in der Gießform einsetzende Verdampfung der Kühlflüssigkeit ein Trocknen der Gießform. Auf diese Weise wird einem vorzeitigen Zerfall der Gießform vor Erstarrung des Gussteils zusätzlich entgegengewirkt.According to the invention, the casting mold wetted with cooling liquid also remains dimensionally stable at least until the metal melt solidifies. On the one hand, this is achieved by a suitable combination of binder and molding material of the molding material. On the other hand, the evaporation of the cooling liquid already occurring in the casting mold due to the heat of the cast metal supports drying of the casting mold. In this way, premature disintegration of the casting mold before solidification of the casting is additionally counteracted.
Die erfindungsgemäße Benetzung der Gießform mit Kühlflüssigkeit kann zu jedem Zeitpunkt der Erstarrungsphase, also vom Beginn des Abgießens der Schmelze bis zur vollständigen Erstarrung und Abkühlung des Gussteils, durchgeführt werden. Je nach gewünschtem Kühlverlauf kann die Benetzung dabei kontinuierlich aufrechterhalten oder nur über bestimmte Zeitabschnitte durchgeführt werden.The wetting of the casting mold according to the invention with cooling liquid can be carried out at any point in the solidification phase, that is to say from the start of pouring off the melt to complete solidification and cooling of the casting. Depending on the desired cooling process, the wetting can be maintained continuously or can only be carried out over certain periods of time.
Gemäß einer besonders praxisgerechten Ausgestaltung der Erfindung wird die Gießform zumindest teilweise in ein Kühlflüssigkeitsbad eingetaucht und so mit der Kühlflüssigkeit benetzt. In der Regel ist es dabei nicht erforderlich, die Gießform vollständig in die Kühlflüssigkeit einzutauchen. Stattdessen stellt die Kapillarwirkung sicher, dass eine vollständige Durchnässung der Gießform auch dann erreicht werden kann, wenn die Gießform nur in bestimmten Abschnitten der Kühlflüssigkeit ausgesetzt wird.According to a particularly practical embodiment of the invention, the casting mold is at least partially immersed in a cooling liquid bath and thus wetted with the cooling liquid. As a rule, it is not necessary to completely immerse the casting mold in the cooling liquid. Instead, the capillary action ensures that a complete wetting of the casting mold can also be achieved if the mold is only exposed to the coolant in certain sections.
Die Kapillarwirkung lässt sich in erfindungsgemäßer Weise auch dazu nutzen, der Kühlflüssigkeit bei ihrem Eindringen in die Gießform gezielt eine bestimmte Richtung zu geben. So benetzt sich die Gießform abhängig von der Oberflächenaktivität der eingesetzten Komponenten entgegen der Schwerkraft, wenn die Gießform nur mit ihrem unteren, bodennahen Bereich mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt gebracht wird.The capillary action can also be used in the manner according to the invention to specifically give the cooling liquid a specific direction when it penetrates into the casting mold. Depending on the surface activity of the components used, the casting mold wets against the force of gravity if the casting mold is brought into contact with the cooling liquid only with its lower area near the floor.
Die Menge der durch die Gießform aufgenommenen Kühlflüssigkeit kann somit sowohl über die Oberflächenaktivität des jeweils verarbeiteten Gießformmaterials und die Größe der mit Kühlflüssigkeit benetzten Fläche als auch über die Eintauchdauer gesteuert werden. Aufgrund der Formstabilität der Gießform zumindest während der Erstarrungsphase der Metallschmelze wird das Kühlflüssigkeitsbad nicht verunreinigt und lässt sich daher mehrfach wieder verwenden.The amount of the cooling liquid absorbed by the casting mold can thus be controlled both via the surface activity of the respectively processed casting mold material and the size of the surface wetted with cooling liquid and also via the immersion time. Due to the shape stability of the casting mold, at least during the solidification phase of the molten metal, the cooling liquid bath is not contaminated and can therefore be reused several times.
Die Genauigkeit, mit der die Kühlflüssigkeit in die Gießform eingebracht wird, lässt sich dadurch noch erhöhen, dass die Gießform mit einem Feuchtigkeitsträger in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise kann gezielt und flexibel Kühlflüssigkeit in Bereiche der. Gießform • gebracht werden, die an Gussteilbereiche .angrenzen, die beispielsweise aufgrund ihrer Dicke einen besonderen Bedarf an Kühlung aufweisen. Gemäß einer besonders praxisgerechten Ausgestaltung ist der Feuchtigkeitsträger dabei ein Schwamm oder ein vergleichbar saugfähiges Element . Eine weitere Möglichkeit, die von der Gießform aufzunehmende Kühlflüssigkeit zu applizieren, besteht darin, dass die Gießform mindestens abschnittsweise mit Kühlflüssigkeit besprüht wird. Der Sprühdruck und die aufgesprühte Flüssigkeitsmenge sind dabei so aufeinander abzustimmen, dass die Kühlflüssigkeit nicht in die Form eingetrieben wird, sondern dass die jeweils besprühten Flächenabschnitte der Gießform besonders gleichmäßig mit einer genau dosierten Flüssigkeitsmenge beaufschlagt werden. Besonders vorteilhaft lässt sich das Besprühen der Gießform in einem automatisierten Verarbeitungsprozess einsetzen.The accuracy with which the cooling liquid is introduced into the casting mold can be increased further by bringing the casting mold into contact with a moisture carrier. In this way, coolant can be targeted and flexible in areas of. Casting mold • are brought, which border on cast part areas, which, for example, have a special need for cooling due to their thickness. According to a particularly practical embodiment, the moisture carrier is a sponge or a comparable absorbent element. A further possibility of applying the cooling liquid to be taken up by the casting mold is that the casting mold is sprayed with cooling liquid at least in sections. The spray pressure and the sprayed-on amount of liquid are to be coordinated with one another in such a way that the cooling liquid is not driven into the mold, but rather that the respectively sprayed surface sections of the casting mold are acted upon particularly uniformly with a precisely metered amount of liquid. Spraying the casting mold can be used particularly advantageously in an automated processing process.
Eine weitere, besonders einfach zu realisierende Möglichkeit einer gezielten, auf bestimmte Bereiche der Gießform beschränkte Benetzung der Gießform mit Kühlflüssigkeit gewährleistende Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an der Gießform Taschen ausgebildet werden. Die in diese Taschen gefüllte Flüssigkeitsmenge bildet einen Vorrat, der über ein bestimmtes Zeitintervall verteilt von der Gießform aufgesaugt wird. Auch kann die Tiefe und Form der Taschen so ausgelegt werden, dass innenliegende Bereiche der Gießform besonders schnell von der Kühlflüssigkeit erreicht werden.Another particularly easy way of realizing a specific wetting of the casting mold with cooling liquid, which is limited to certain areas of the casting mold, provides that pockets are formed on the casting mold. The amount of liquid filled into these pockets forms a supply which is sucked up from the casting mold over a certain time interval. The depth and shape of the pockets can also be designed so that internal areas of the casting mold can be reached by the cooling liquid particularly quickly.
In praktischen Versuchen hat sich Wasser als kostengünstig in großen Mengen zur Verfügung stehende Kühlflüssigkeit bewährt, die zudem leicht aufbereitet werden kann. Dem Wasser können Additive zugegeben werden, um seine Benetzungsfähigkeit zu beeinflussen. Dementsprechend lassen sich als Kühlflüssigkeiten auch Emulsionen einsetzen, deren Eigenschaften so abgestimmt sind, dass die jeweils erwünschte Kühlwirkung sicher eintritt.In practical tests, water has proven to be a cost-effective coolant that is available in large quantities and that can also be easily treated. Additives can be added to the water to influence its wetting ability. Accordingly, emulsions can also be used as cooling liquids, the properties of which are matched in this way are that the desired cooling effect occurs safely.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Gießformteil um einen Gießkern. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich gerade bei schlecht zugänglichen Gießkernen eine Kühlung in einfacher Weise realisieren. Insbesondere kann die Gießform aus einem Kernpaket gebildet werden, also aus mehreren Gießkernen und Gießformteilen zusammengesetzt sein. Bei einer solchen Gießform sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der Zugänglichkeit und Flexibilität für die Kühlung besonders relevant .According to a preferred embodiment of the invention, the casting mold part is a casting core. With the method according to the invention, cooling can be implemented in a simple manner, particularly in the case of casting cores which are difficult to access. In particular, the casting mold can be formed from a core package, that is to say it can be composed of a plurality of casting cores and casting mold parts. With such a casting mold, the advantages of the method according to the invention with regard to accessibility and flexibility are particularly relevant for cooling.
Praktische Versuche haben belegt, dass sich Formstoffe, die mit einem anorganischer Binder versetzt sind, zur Herstellung erfindungsgemäß eingesetzter Gießformteile besonders eignen. So weisen unter Verwendung von einem geeigneten anorganischen Bindern ausgehärtete Formteile eine besonders hohe, über eine lange Behandlungszeit bestehende Formstabilität bei Durchdringung mit Kühlflüssigkeit auf. Gleichzeitig sind sie besonders unkritisch im Hinblick auf die Belastung der Umwelt. Als besonders geeignet hat sich in diesem Zusammenhang die Verwendung von auf Wasserglas basierenden Bindersystemen herausgestellt .Practical tests have shown that molding materials which are mixed with an inorganic binder are particularly suitable for the production of moldings used according to the invention. For example, molded parts that have been hardened using a suitable inorganic binder have a particularly high dimensional stability which persists over a long treatment time when penetrated by cooling liquid. At the same time, they are particularly uncritical with regard to environmental pollution. In this context, the use of binder systems based on water glass has proven to be particularly suitable.
Um eine hohe Formstabilität der aus Formsand und Binder hergestellten Gießform während der Erstarrungsphase bei Durchdringung mit Kühlflüssigkeit zu gewährleisten, hat es sich als günstig erwiesen, den Binder durch Wärmezufuhr, beispielsweise durch Bestrahlung mit Mikrowellen, auszuhärten. Alternativ führte auch eine Begasung mit C02-Gas zu einer zufriedenstellenden Formstabilität und Porosität der Gießform.In order to ensure a high dimensional stability of the casting mold made of molding sand and binder during the solidification phase when penetrating with cooling liquid, it has proven to be advantageous to harden the binder by supplying heat, for example by irradiation with microwaves. Alternatively, gassing with CO 2 gas also led to satisfactory dimensional stability and porosity of the casting mold.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Formsand kostengünstig erhältlichen Quarzsand enthalten. Besonders leicht entfernen und aufbereiten lässt sich der Formstoff dann, wenn der Formsand Aluminiumoxid-Sand enthält. Insbesondere kann erfindungsgemäß ein Mullit enthaltender Formsand zum Einsatz kommen.According to a further embodiment of the invention, the molding sand can contain quartz sand which can be obtained inexpensively. The molding material is particularly easy to remove and process if the molding sand contains aluminum oxide sand. In particular, a molding sand containing mullite can be used according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Gussstücken aus einer Leichtmetallschmelze, insbesondere aus einer Aluminiumoder einer Magnesiumlegierung.The method according to the invention is particularly suitable for the production of castings from a light metal melt, in particular from an aluminum or a magnesium alloy.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in einer schematischen, seitlichen Ansicht:An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Each shows in a schematic, side view:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Kühlen von mit einer Aluminiumschmelze gefüllten Gießformen in einem ersten Betriebszustand,1 shows a device for cooling casting molds filled with an aluminum melt in a first operating state,
Fig. 2 die Vorrichtung zum Kühlen von mit einer Aluminiumschmelze gefüllten Gießformen in einem zweiten Betriebszustand,2 shows the device for cooling casting molds filled with an aluminum melt in a second operating state,
Fig. 3 die Vorrichtung zum Kühlen von mit einer Aluminiumschmelze gefüllten, alternativ gestalteten Gießformen. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung A dient zum Kühlen von Gießformen 1, nachdem diese in an sich bekannter Weise mit einer Aluminiumschmelze gefüllt worden- sind.Fig. 3 shows the device for cooling of an aluminum mold filled, alternatively designed molds. The device A shown in FIG. 1 serves to cool casting molds 1 after they have been filled with an aluminum melt in a manner known per se.
Die Vorrichtung A umfasst eine Hebevorrichtung 4 sowie ein Becken 2, dass mit einer Kühlflüssigkeit K gefüllt ist. Bei der Kühlflüssigkeit K handelt es sich um Wasser, das zur Verbesserung seiner Benetzungsfähigkeit mit einem Additiv versetzt ist.The device A comprises a lifting device 4 and a basin 2 that is filled with a cooling liquid K. The cooling liquid K is water, which is mixed with an additive to improve its wetting ability.
Die im Einzelnen nicht dargestellten Formteile der Gießformen 1 sind aus einem Formstoff hergestellt worden, der beispielsweise aus einem anorganischen, wasserglasbasierten Bindersystem und einem mullithaltigen Formgrundstoff gemischt worden ist. Die Formteile sind in einer ebenfalls nicht dargestellten Maschine erzeugt worden, in der der Formstoff nach dem Einschießen in einen formgebenden Raum der Maschine durch Wärmezufuhr ausgehärtet worden ist. Der Aufbau der Gießform und ihrer Einzelteile entspricht dem konventionellen, im Stand der Technik vielfach beschriebenen Aufbau derartiger Formen, so dass an dieser Stelle auf eine ins Einzelne gehende Erläuterung verzichtet wird.The mold parts of the casting molds 1, which are not shown in detail, have been produced from a molding material which has been mixed, for example, from an inorganic, waterglass-based binder system and a mullite-containing molding base material. The molded parts were produced in a machine, also not shown, in which the molding material was cured by the introduction of heat into a shaping space of the machine. The structure of the casting mold and its individual parts corresponds to the conventional structure of such molds, which has been described many times in the prior art, so that no detailed explanation is given here.
Nachdem die Aluminiumschmelze in an sich ebenfalls bekannter Weise in die Gießform 1 abgegossen worden st, wird die Gießform zur Vorrichtung A transportiert und von der Hebevorrichtung 4 übernommen. Die Hebevorrichtung 4 senkt die Gießform 1 dann in das Becken 2. Die Absenktiefe wird dabei so gesteuert, dass die Gießform.1 ' ausgehend von ihrem Boden la permanent mit der Kühlflüssigkeit K in Kontakt steht. Dazu wird die Gießform beispielsweise über etwa ein Achtel ihrer Höhe H in die Kühlflüssigkeit K gesenkt. Sobald die Gießform 1 in die Kühlflüssigkeit K eintaucht, saugt die Gießform 1 aufgrund der ihr eigenen Oberflächenaktivität Kühlflüssigkeit K aktiv entgegen der Schwerkraftrichtung an. In Fig. 1 ist die Richtung der Kühlflüssigkeitsaufnahme der Gießform 1 durch Pfeile P angedeutet.After the aluminum melt has been poured into the casting mold 1 in a manner known per se, the casting mold is transported to the device A and taken over by the lifting device 4. The lifting device 4 then lowers the casting mold 1 into the basin 2. The lowering depth is controlled in such a way that the casting mold. 1 'is in permanent contact with the cooling liquid K starting from its base la. For this purpose, the casting mold is lowered into the cooling liquid K, for example, by approximately one eighth of its height H. As soon as the casting mold 1 is immersed in the cooling liquid K, the casting mold 1 actively draws in cooling liquid K against the direction of gravity due to its own surface activity. The direction of the cooling liquid absorption of the casting mold 1 is indicated by arrows P in FIG. 1.
In Folge des Ansaugens bildet sich in der Gießform 1 ein von Kühlflüssigkeit K benetzter Volumenbereich 3, der sich ausgehend vom Boden la über die für das jeweilige Abkühlergebnis optimale Höhe H der Gießform 1 erstreckt. Die Kapillarwirkung und das damit einhergehende aktive Ansaugen von Kühlflüssigkeit K durch die Gießform 1 bewirken dabei, dass das von Kühlflüssigkeit K benetzte Volumen 3 der Gießform 1 deutlich über den in Kühlflüssigkeit K eingetauchten Gießformabschnitt hinausgeht.As a result of the suction, a volume region 3 wetted by cooling liquid K forms in the casting mold 1 and extends from the base la over the optimal height H of the casting mold 1 for the respective cooling result. The capillary action and the associated active suction of cooling liquid K through the casting mold 1 have the effect that the volume 3 of the casting mold 1 wetted by the cooling liquid K clearly extends beyond the casting mold section immersed in the cooling liquid K.
Bei Annäherung an die in der Gießform 1 enthaltene, nicht gezeigte heiße Aluminiumschmelze beginnt die in die Gießform 1 eingedrungene Kühlflüssigkeit K zu verdampfen. Sie führt auf diese Weise zu einer starken Abkühlung mit der Folge, dass die an die Innenwände der Gießform 1 direkt angrenzende Aluminiumschmelze schnell und gleichmäßig zu einer festen Schale erstarrt. Die verdampfende Flüssigkeit tritt aus der Gießform 1 aus und wird durch Kühlflüssigkeit K ersetzt, die ausgehend vom in die Kühlflüssigkeit K eingetauchten Abschnitt in die Gießform 1 nachdrängt.When the hot aluminum melt (not shown) contained in the casting mold 1 is approached, the cooling liquid K which has penetrated into the casting mold 1 begins to evaporate. In this way, it leads to a strong cooling, with the result that the aluminum melt directly adjacent to the inner walls of the casting mold 1 quickly and evenly solidifies into a solid shell. The evaporating liquid emerges from the casting mold 1 and is replaced by cooling liquid K which, starting from the section immersed in the cooling liquid K, pushes into the casting mold 1.
Ergänzend oder alternativ durchführbare Maßnahmen zur Kühlung der Gießform 1 und der in ihr enthaltenen Schmelze sind in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Gemäß Fig. 2 wird die Gießform 1, nachdem die zuvor erläuterte Kühlung im durch die Kühlflüssigkeit K gebildeten Kühlflüssigkeitsbad abgeschlossen ist, aus der Kühlflüssigkeit gehoben. Die dabei in der Gießform 1 verbleibende Kühlflüssigkeit K stellt sicher, dass eine Restkühlung des unteren Bereichs 3 der Gießform aufrechterhalten wird.Additional or alternative measures for cooling the casting mold 1 and the melt contained therein are shown in FIGS. 2 and 3. 2, the casting mold 1 is lifted out of the cooling liquid after the previously explained cooling in the cooling liquid bath formed by the cooling liquid K is completed. The cooling liquid K remaining in the casting mold 1 ensures that residual cooling of the lower region 3 of the casting mold is maintained.
Um zusätzlich eine gezielte Kühlung von Abschnitten der Metallschmelze durchzuführen, die seitlichen Bereichen lb,lc der Gießform 1 zugeordnet sind, wird nun auf den ersten seitlichen Bereich 1b mittels Düsen 5 ein Kühlflüssigkeitsnebel Kn aufgegeben.In order to additionally carry out targeted cooling of sections of the molten metal that are assigned to the lateral areas 1b, 1c of the casting mold 1, a cooling liquid mist Kn is now applied to the first lateral area 1b by means of nozzles 5.
An den anderen zu kühlenden seitlichen Bereich lc wird dagegen ein mit Kühlflüssigkeit getränkter Schwamm 6 angelegt .In contrast, a sponge 6 impregnated with coolant is applied to the other side area 1c to be cooled.
Die auf diese Weise auf die betreffenden Oberflächenabschnitte lb,lc der Gießform 1 aufgebrachten Kühlflüssigkeitsmengen K werden aufgrund der Kapillarwirkung ebenfalls aktiv vom Formstoff der Gießform aufgesogen, so dass sich von Kühlflüssigkeit K getränkte Bereiche 7,8 in der Gießform 1 einstellen. Auch in diesen Bereichen findet eine gezielte intensive Kühlung der in der Gießform 1 enthaltenen Schmelze statt.The cooling liquid quantities K applied in this way to the relevant surface sections 1b, 1c of the casting mold 1 are also actively sucked up by the molding material of the casting mold due to the capillary action, so that regions 7, 8 soaked in the cooling liquid K appear in the casting mold 1. In these areas, too, there is a targeted intensive cooling of the melt contained in the casting mold 1.
Gemäß Fig. 3 weist eine gegenüber der Gießform 1 lediglich hinsichtlich ihrer Formgebung variierte Gießform 100 eine an eine Außenfläche der Gießform 100 angeformte äußere Tasche 9 sowie zwei in die Gießform 100 eingeformte innere Taschen 10,11 auf. Die Taschen 9,10,11 sind jeweils mit Kühlflüssigkeit K gefüllt. Ausgehend von den Taschen 9, 10, 11 bilden sich von Kühlflüssigkeit K durchdrungene Bereiche 12 , 13 , 14 , deren Ausdehnung davon vom Füllstand der Taschen 9 , 10, 11 abhängig ist .According to FIG. 3, a casting mold 100 which is only varied in terms of its shape compared to the casting mold 1 has an outer pocket 9 molded onto an outer surface of the casting mold 100 and two inner pockets 10, 11 molded into the casting mold 100. The pockets 9, 10, 11 are each filled with coolant K. Starting from the pockets 9, 10, 11, areas 12, 13, 14 penetrated by cooling liquid K, the extent of which depends on the filling level of the pockets 9, 10, 11.
Nachdem eine ausreichende Erstarrung der Metallschmelze erfolgt ist, kann die Gießform 1 von dem Gussteil entfernt werden .After the metal melt has solidified sufficiently, the casting mold 1 can be removed from the casting.
Mit den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verfügung stehenden Methoden zur Kühlung der Metallschmelze in der Gießform 1 lassen sich also Menge , Ort und aufgrund der aktiven Ansaugung von Kühlflüssigkeit auch die Richtung der Durchdringung der Gießformen 1, 100 mit Kühlflüssigkeit K in einfacher Weise präzise und flexibel vorgeben . Somit wird eine schnelle und gerichtete Erstarrung der Schmelze erreicht, die zu besonders guten Produkteigenschaften des erhaltenen Gussstücks führt . With the methods available in the method according to the invention for cooling the molten metal in the casting mold 1, the quantity, location and, due to the active suction of cooling liquid, the direction of the penetration of the casting molds 1, 100 with cooling liquid K can be easily and precisely and flexibly pretend. In this way, a rapid and directed solidification of the melt is achieved, which leads to particularly good product properties of the casting obtained.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Verfahren zum Herstellen eines Gussteils aus einer Metallschmelze, bei dem1. A method for producing a casting from a molten metal, in which
- die Metallschmelze in eine poröse Gießform (1) vergossen und - die mit Metallschmelze gefüllte poröse Gießform (1) mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, - d a s s die Gießform (1) nach dem Vergießen der Metallschmelze im Bereich mindestens eines Abschnitts ihrer Außenflächen mit einer Kühlflüssigkeit benetzt wird und - d a s s die poröse Gießform (1) mindestens in dem mit der Kühlflüssigkeit benetzten Bereich aus einem Material erzeugt ist, dessen Kapillarität so auf die Kühlflüssigkeit abgestimmt ist, dass die Gießform (1) in ihrem aus diesem Material erzeugten Bereich mindestens ein Teilvolumen der sie benetzenden Kühlflüssigkeit selbsttätig aufnimmt, indem das Material der Gießform (1) die sie benetzende Kühlflüssigkeit aufsaugt.- Pour the molten metal into a porous casting mold (1) and - The porous casting mold (1) filled with molten metal is cooled with the aid of a cooling liquid, characterized in that - the casting mold (1) after casting the molten metal in the area of at least a portion of its outer surfaces is wetted with a cooling liquid and - that the porous casting mold (1) is produced at least in the area wetted with the cooling liquid from a material whose capillarity is matched to the cooling liquid in such a way that the casting mold (1) in its area produced from this material automatically absorbs at least a partial volume of the cooling liquid wetting it by the material of the casting mold (1) absorbing the cooling liquid wetting it.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das saugfähige Material, aus dem die Gießform (1) mindestens teilweise hergestellt ist, ein Formstoff für die Herstellung von verlorenen Gießformen ist, der aus einem Formgrundstoff und einem Binder gemischt ist, und d a s s der Formgrundstoff und der Binder des Formstoffes derart aufeinander abgestimmt sind, dass das Gießformteil bei Benetzung mit der Kühlflüssigkeit seine Gestalt über mindestens die Zeit beibehält, die für die Ausbildung einer formstabilen Außenschale des Gussstücks durch Erstarrung der in die Gießform (1) eingegossenen Metallschmelze benötigt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the absorbent material from which the mold (1) at least is partially produced, a molding material for the production of lost molds, which is mixed from a mold base and a binder, and that the mold base and the binder of the molding material are matched to one another in such a way that the mold part has its shape over at least when wetted with the cooling liquid maintains the time required for the formation of a dimensionally stable outer shell of the casting by solidification of the molten metal poured into the casting mold (1).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Gießform (1) zum Benetzen mit der Kühlflüssigkeit mindestens abschnittsweise in ein Kühlflüssigkeitsbad (2) eingetaucht wird.Method according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the casting mold (1) for wetting with the coolant is at least partially immersed in a coolant bath (2).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Gießform (1) mit einem Feuchtigkeitsträger (5) in Kontakt gebracht wird.Method according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the casting mold (1) is brought into contact with a moisture carrier (5).
Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Feuchtigkeitsträger ein Schwamm (5) ist.The method of claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the moisture carrier is a sponge (5).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Gießform (1) abschnittsweise mit einer Kühlflüssigkeit besprüht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the casting mold (1) is sprayed in sections with a cooling liquid.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s in die Gießform (1) Taschen (8,9,10) eingeformt werden, in die Kühlflüssigkeit geleitet wird.7. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, s a s s molded into the mold (1) pockets (8,9,10), is passed into the cooling liquid.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Gießform (1) an voneinander getrennten Abschnitten ihrer Außenfläche gleichzeitig benetzt wird.8. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the casting mold (1) is wetted simultaneously on separate sections of its outer surface.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Abschnitte der Außenfläche der Gießform (1) abschnittsweise aufeinander folgend mit Kühlflüssigkeit benetzt werden.9. The method according to claim 1, wherein the sections of the outer surface of the casting mold (1) are wetted in sections with cooling liquid in succession.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Gießform (1) während der Erstarrungsphase der Metallschmelze um eine Achse gedreht wird. .10. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the casting mold (1) is rotated about an axis during the solidification phase of the molten metal. ,
11. Verfahren nach einem der voranstehendeή Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Kühlflüssigkeit auf Wasser basiert ist. 11. The method according to any one of the precedingή claims, characterized in that the cooling liquid is based on water.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Kühlflüssigkeit die Benetzungseigenschaften verbessernde Additive zugesetzt sind.12. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, s a s s additives which improve the wetting properties additives.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s es sich bei der Kühlflüssigkeit um eine Emulsion handelt.13. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the cooling liquid is an emulsion.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s es sich bei der Kühlflüssigkeit um ein Öl handelt.14. The method according to any one of claims 1 to 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the cooling liquid is an oil.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Gießform (1) aus einem Kernpaket gebildet wird.15. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the casting mold (1) is formed from a core package.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Binder des Formstoffs ein anorganischer Binder ist.16. The method according to any one of claims 2 to 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the binder of the molding material is an inorganic binder.
17. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s-s der Binder auf Basis von Wasserglas hergestellt ist. 17. The method according to claim 16, characterized in that the binder is made on the basis of water glass.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Formstoff mittels Wärmezufuhr ausgehärtet wird.18. The method according to any one of claims 16 or 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the molding material is cured by means of heat.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Binder mittels Begasung mit einem Reaktionsgas ausgehärtet wird.19. The method according to any one of claims 16 or 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the binder is cured by gassing with a reaction gas.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 19 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Formgrundstoff Quarzsand enthält.20. The method according to any one of claims 2 to 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that contains the molding material quartz sand.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Formgrundstoff einen Aluminiumoxid-Sand enthält.21. The method according to any one of claims 2 to 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the mold base material contains an aluminum oxide sand.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Formgrundstoff Mullit enthält.22. The method according to any one of claims 2 to 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that contains the mold base mullite.
23. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Metallschmelze eine Leichtmetallschmelze ist. •23. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the metal melt is a light metal melt. •
24. Verfahren nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Leichtmetallschmelze aus einer Aluminium- oder einer Magnesiumlegierung erzeugt ist.. 24. The method according to claim 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the light metal melt is produced from an aluminum or a magnesium alloy.
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