EP2527060A1

EP2527060A1 - Giessverfahren für Dauerformen

Info

Publication number: EP2527060A1
Application number: EP11167276A
Authority: EP
Inventors: Hans Mikota; Markus Bühringer; Werner Menk
Original assignee: Georg Fischer Automobilguss GmbH Austria
Current assignee: GEORG FISCHER KOKILLENGUSS GMBH
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2012-11-28
Also published as: WO2012159898A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Dauerformgiessverfahren mit welchem die Taktzeit signifikant verringert werden kann. Weiters wird ein Giesswerkzeug zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Giessverfahren mit Dauerformen gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Giessvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 4.
Das Giessen in metallische Dauerformen ist bekannt dafür, dass durch das Erstarren des flüssigen Metalles in einer Metallform Erstarrungsbedingungen mit schneller Wärmeabfuhr erzielbar sind. Metallische Dauerformen haben im Gegensatz zu den in Sandgiessverfahren verwendeten Sandformen den Vorteil der viel höheren Wärmeleitfähigkeit. Hierdurch kann eine höhere Erstarrungsgeschwindigkeit, feineres Gefüge (kleinere sog. DAS - Dendritenarmabstände) und somit kürzere Taktzeiten (Anzahl produzierter Gussteile pro Zeiteinheit) erreicht werden.
Die Erstarrung in Sandformen verläuft langsamer, wodurch die Ausbildung der Gefügematrix in Sandformen gröber erfolgt (höhere DAS) und im Vergleich zum Kokillengiessen niedrigere mechanische Eigenschaften erzielbar sind. Metallische Dauerformen (wie z.B. Kokillen) eignen sich somit sehr gut für das Giessen hochbeanspruchbarer Gussteile wie zum Beispiel Fahrwerksbauteile, da durch die schnellen Abkühlbedingungen (z.B. im Aluminiumkokillenguss) sehr feine Gefüge erzielbar sind. Insbesondere zeichnen sich die Randschalen (d.h. die ersterstarrten Bereiche von Gussteilen, welche im direkten Kontakt mit der Metallkokille stehen) durch besonders feine Mikrogefüge aus.
Eine schnelle Wärmeabfuhr während der gesamten Erstarrung aufrechtzuerhalten ist für die Ausprägung einer feinen Mikrostruktur anzustreben. Dies kann nach dem derzeitigen Stand der Technik in Kokillenguss- oder Druckgussverfahren jedoch nicht erzielt werden.
Beim Giessen in Dauerformen erfolgt die Wärmeabfuhr vom erstarrenden Metall über mehrere Phasengrenzen hinweg. Die Wärme muss vom erstarrenden Bauteil weg über mehrere, zum Teil wärmeisolierende Schichten (z.B. wärmeisolierende Schlichte, Luftspalt) durch die Form hindurch transportiert werden.
Gleichung 1 beschreibt den Wärmestrom je Zeiteinheit über diese Phasengrenzen hinweg. $Q punkt = k * A * ΔT [W]$

Q punkt: Wärmestrom je Zeiteinheit [W]
k......Gesamtwärmeübergangskoeffizient [W/m^2*K]
A......Wärmetauscherfläche [m²]
Δ T ...Temperaturdifferenz [K]
Um die Wärmeabfuhr zu verbessern sind nach dem Stand der Technik verschiedene Maßnahmen möglich:

A: Vergrössern der Wärmetauscherfläche z.B. Kühlrippen an der Kokillenaussenwand
ΔT: Vergrössern der Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Bauteil z.B. Eiswasser anstelle Wasser zur Wärmeabfuhr

Der Wärmeübergangskoeffizient wird, je nach Aufbau der Dauerform aus mehreren Einzelwiderständen zusammengebaut, welche den Wärmeübergang limitieren. Bestimmend ist immer der größte Einzelwiderstand, der den Gesamtwiderstand bestimmt. $1 / k = 1 / α 1 + s / λ + 1 / α 2$

α1:: Wärmeübergangskoeffizient für den Wärmeübergang vom Gußstück auf die Dauerform Um α1 zu maximieren wurde zum Beispiel im Kokillenguss versucht wärmeleitende Schlichten einzusetzen oder den Luftspalt bei der Erstarrung durch hohe Speisungsdrücke klein zu halten.
s/λ:: Wärmeleitwiderstand durch die Formwand einer Dauerform. Die Formwand ist aus einem Material mit der spezifischen Wärmeleitfähigkeit λ [W/m*K] aufgebaut und hat die Wandstärke s [m] Um diesen Widerstand zu minimieren wurde versucht besser wärmeleitfähige Werkzeugwerkstoffe einzusetzen oder die Wandstärke dieser Werkstoffe zu reduzieren.
α2:: Wärmeübergangskoeffizient für den Wärmeübergang von Formaussenwand auf das Kühlmedium Um den Wärmeübergang auf der Kokillenaussenwand zu verbessern wurden Wasserkühlkreise eingesetzt.

Nach der Ausbildung einer festen Randschale kommt die Volumenkontraktion des erstarrenden Metalls zum Tragen. Das erstarrte Metall steht nicht mehr im Kontakt zur Kokillenwand, ein Luftspalt formiert sich. Der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Gusstück und metallischer Dauerform sinkt stark ab, es kommt zu einer Verlangsamung der Erstarrung. Diese verlangsamte Wärmeabfuhr zieht eine gröbere Ausbildung des Gefüges im erstarrenden Metall nach sich, schlechtere mechanische Eigenschaften stellen sich ein. Die Bildung des wärmeisolierenden Spaltes zwischen Gußstück und Dauerform kann durch den derzeitigen Stand der Technik nicht verhindert werden.
Um die Erstarrungsgeschwindigkeit weiter hoch zu halten können starke Kühlungen eingesetzt werden, um die Temperatur der Dauerform zu reduzieren und über einen starken Temperaturgradienten zwischen Gussstück und Kokille den Wärmestrom hoch zu halten.
Diese aufwändigen aber effektiven Kühlmassnahmen haben jedoch den Nachteil, dass die Temperatur der Dauerform für den nächsten Füllvorgang zu stark abgesenkt ist. Um Füllfehler (wie z.B. Kaltläufe) zu vermeiden muss die Werkzeugtemperatur vor dem nächsten Abguss daher wieder angehoben werden: Hierfür ist Brennereinsatz notwendig oder es werden Temperiermaßnahmen zum Beispiel über Heiz-Kühlgeräte notwendig. Der zusätzliche, energetisch ungünstige Aufwand setzt die Wirtschaftlichkeit des Giessverfahrens herab und verlängert die Taktzeit.
Eine spezielle Variante des Sandgiessens ist unter dem Namen "Abiation" in der Literatur beschrieben und z.B. in der WO 2004/026504 A1 oder WO 2004/004948 A2 publiziert. Es handelt sich hierbei um ein Sandgiessverfahren, genauer um ein Kernpaketverfahren. Die Giessform wird hierbei durch mehrere Sandkerne, die zu einem Kernpaket montiert werden, hergestellt.
Nach der Füllung der Sandkernpaketform mit flüssigem Metall erfolgt die Randschalenbildung durch den Wärmeübergang des flüssigen Metalls auf die Sandform. Sobald sich eine selbsttragende Randschale gebildet hat, kann die Kernform durch einen Wasserstrahl aufgelöst werden. Während und nach dem Abspülen des Kernsandes vom bereits teilweise erstarrten Gussteil folgt auf die anfänglich langsame Randschalenerstarrung durch Wärmeübergang Gussstück auf die Sandform eine Phase schnellen Erstarrungsfortschrittes im Inneren des Bauteiles. Diese wird durch die starke Kühlwirkung des direkt auf die Oberfläche des erstarrenden Bauteiles aufgebrachten Wasserstrahles verursacht.
Die über dieses Verfahren hergestellten Produkte zeichnen sich durch ein grobes Gefüge an der Aussenhaut des Bauteiles aus, dass nach innen feiner wird.
Ein Nachteil des Ablations-Giessverfahrens besteht in der anfänglich - im Vergleich zu Kokillengiessverfahren - langsameren Randschalenerstarrung und dem damit oberflächennah gröberen Gefüge. An der Bauteiloberfläche werden mit diesem Verfahren somit die für Sandgiessverfahren typischen Gefüge erzielt. Erst im Bauteilinneren werden dank des Ablations-Giessverfahrens die durch die direkte Kühlung erzielbaren hohen Materialeigenschaften erreichbar. Dies ist allerdings insbesondere bei statisch und dynamisch festigkeitsbeanspruchten Bauteilanwendungen von Nachteil, weil hier meist die Randfasern bzw. Randbereiche der Bauteile statisch und dynamisch am stärksten beansprucht werden und somit die besten Erstarrungsbedingungen und niedrigsten DAS bei besten mechanischen Eigenschaften benötigen.
Ein weiterer Nachteil besteht in der verhältnismässig schlechteren Wirtschaftlichkeit des Ablationsverfahrens aufgrund der aufwändigen Herstellung der dafür benötigten Giessformen. Jeder einzelne Bestandteil des Kernpaketes ist über einen in einem Kernschiessverfahren herzustellenden Kern zu produzieren. Weiters müssen diese Einzelkerne vor jedem Abguss aufwändig zum Kernpaket montiert werden.
Weiters wird das Kernpaket beim Abguss durch Wegspülen mit Wasser zerstört und kann nur einmal verwendet werden. Der Kernsand liegt nach dem Auspacken mit Wasser nur mehr in schlecht weiterverarbeitbarer Trübeform vor. Der Sand kann somit im Gegensatz zu den weit verbreiteten trockenen Entkernprozessen im Ablationsprozess nur nach aufwändigen und energieintensiven Aufbereitungsprozessen wieder dem Giessprozess rückgeführt werden.
Weitere Nachteile des Ablationsgiessverfahrens bestehen in den klassischen, auch von anderen Sandgiessverfahren her bekannten Schwächen: Die Oberflächenqualität der im Ablation Verfahren hergestellten Bauteile ist durch die Feinheit (oder Grobkörnigkeit) des verwendeten Sandes limitiert und im Allgemeinen schlechter als beim Giessen mit metallischen Dauerformen. Die geometrische Maßhaltigkeit der im Ablation Verfahren hergestellten Bauteile ist gegenüber dem Kokillengiessverfahren durch die Maßhaltigkeit der dem Gießprozeß vorangehenden Prozesse im Nachteil. Ungenauigkeiten beim Kernschießen, Kernverzug beim Lagern der Kerne sowie verfahrensbedingte Ungenauigkeit beim darauffolgenden Fügen der Kerne zu einem Kernpaket führen zu einer schlechteren Maßhaltigkeit der erzeugten Produkte im Vergleich zu konventionellen Kokillengieß- oder Druckgiessverfahren.
Für die Herstellung von Halbzeugen wie zum Beispiel Stranggussbarren oder - Blechen sind weiters (semi-) kontinuierliche Giessverfahren im Einsatz. Eine weit verbreitete Verfahrensvariante des Stranggiessens ist als Direct Chill Casting Verfahren bekannt. Dieses (halb-) kontinuierliche Giessverfahren zeichnet sich durch exzellente Materialeigenschaften aus. Wie beim Ablation Prozess folgt hier auf die Randschalenerstarrung eine Phase sehr schneller Wärmeabfuhr durch die direkte Wirkung des Wasserstrahles auf die Oberfläche des erstarrenden Aluminiums. Gegenüber dem Ablationsprozess zeichnet sich jedoch auch die erste Phase des Stranggiessens, d.h. die Erstarrung und die Bildung der Randschale, durch sehr schnelle Abkühlbedingungen aus, da das flüssige Metall in direktem Kontakt mit einer Metall-Kokille steht und hierdurch auch die Randfasern stark abgekühlt werden.
Nachteilig am Stranggiessverfahren bzw. am Direct Chill Casting Verfahren ist, dass es bislang nur als (halb)kontinuierliches Giessverfahren zur Herstellung von Halbzeugen wie Bolzen, Profilen, Blechen oder Brammen zur Verfügung steht. Die Herstellung geometrisch komplexer Bauteile aus mit Direct Chill Casting hergestellten Materialien ist bislang nur durch anschliessende Fügeprozesse (Schweissen, Kleben, Montieren) und Umformprozesse (z.B. Schmiedeverfahren) möglich und entsprechend sehr aufwändig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Kühlvorgang beim Formgiessen mit Dauerformen derart zu verbessern, dass höhere Erstarrungsgeschwindigkeiten ermöglicht werden, wodurch einerseits die Taktzeit erheblich reduziert und andererseits Gussteile mit feinerem Gefüge hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemässe Giessverfahren und ihrer in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Zur Lösung der Aufgabe wird vorzugsweise eine Giessvorrichtung und eine Dauerform gemäss den weiteren unabhängigen Ansprüchen verwendet.
Nach dem Stand der Technik ist eine Dauerform aus zumindest 2 Formteilen aufgebaut. Nicht entformbare Hinterschneidungsbereiche von Bauteilen können über zusätzliche an der Giessform angebrachte bewegliche Schieber oder Sandkerne realisiert werden. Gemäss dem allgemein bekannten Giessprozess folgt auf die Phase der Formfüllung eine Phase sehr guten Wärmeabtransports durch die Benetzung der Dauerform mit flüssigem Metall. Sobald sich eine feste Randschale aus erstarrtem Metall gebildet hat, stellt sich eine Phase geringeren Wärmetransports ein, da sich die Randschale aufgrund der Volumenkontraktion von der Dauerform ablöst und ein wärmeisolierender Luftspalt entsteht, welcher eine schnelle Erstarrung mit den vorher beschriebenen Nachteilen für die Bauteilqualität (gröbere Gefügematrix) und die Wirtschaftlichkeit (lange Taktzeit) verhindert.
Das erfindungsgemässe Giessverfahren macht sich den Effekt der Randschalenbildung aber gerade zu Nutze: Nach lokaler Bildung einer Randschale am Gussstück wird das entsprechende Formsegment vom Bauteil abgehoben und partiell entformt. Gleichzeitig mit dem lokalen Entformen setzt eine direkte Kühlung der freigelegten Bauteiloberfläche über Kühlmedien ein wie z.B. durch direkt aufgespritztes Wasser, Wassersprühnebel oder durch eine Flutung des gesamten freigelegten Bereiches mit Kühlmedium.
Entsprechend dem Erstarrungsfortschritt können weitere Formsegmente lokal entformt werden, um die freigelegte Randschale des Bauteiles direkt mit Kühlmedium kühlen zu können und die Erstarrung zu beschleunigen. Hierdurch wird eine signifikante Taktzeitreduktion sowie eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften dank der beschleunigten Erstarrung (feineres Gefüge) realisiert.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Formation eines wärmeisolierenden Luftspaltes zwischen Kühlmedium und Gussstück eigentlich zuvorgekommen wird. Erstmalig im Giessen mit Dauerformen können damit die negativen Auswirkungen des isolierenden Luftspalts zwischen Gussstück und Dauerform auf die Wärmeabfuhr eliminiert werden.
Um das erfindungsgemässe Verfahren anzuwenden, wird die Dauerform in mehrere bewegliche Segmente aufgeteilt. Diese Aufteilung dient nicht notwendigerweise dem Ausbilden von Hinterschneidungsbereichen am Bauteil, schließt diese aber auch nicht aus.
Erfindungsgemäss kann durch die Beschleunigung der Erstarrung eine erhebliche Taktzeitreduktion und Produktivitätssteigerung erreicht werden. Weiters entfällt durch das partielle Entformen und nachfolgende direkte Kühlen der Gussoberfläche die Isolationswirkung von Formwerkstoffen zwischen Kühlmedium und erstarrendem Gussstück. Die weiter oben aufgeführte Gleichung 2 vereinfacht sich damit zu Gleichung 3. $1 / k = 1 / α 3$
Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient k ist somit nur mehr abhängig von α3 (Wärmübergangskoeffizient Gussstück auf das Kühlmedium). Zwei von ehemals drei Einzelwiderständen sind 0 und beeinträchtigen den Wärmestrom damit nicht mehr.
Am Erstarrungsbeginn kann durch die Verwendung von metallischen Dauerformen anstelle von Sandformen die Erstarrungsgeschwindigkeit auch für die Phase der Randschalenbildung hochgehalten werden. Im Randschalenbereich sind somit feinere Gefüge erzielbar als bei Verfahren, die Sandformen benützen (insbesondere beim Ablationsprozess im Sandgiessverfahren). Weiters wird, wie bereits erwähnt, durch die Verwendung einer segmentierten Dauerform eine bessere Maßhaltigkeit als bei Sandformguss erzielt.
Ebenso entfällt im Gegensatz zum Ablationsprozess im Sandgiessverfahren der aufwändige Herstellprozess für die Vorformen (Kerne) sowie das Aufbereiten der Abfalltrübe.
Für die Kühlungsausführung sind erfindungsgemäss mehrere Kühlungen denkbar und möglich: Sowohl offene Kühlungen, die z.B. im Verdampferbetrieb gefahren werden, als auch geschlossene Kühlkreise, z.B. mit Flutung der freigelegten Gussoberfläche. Die erfindungsgemässe Kühlausführung kann derart gestaltet sein, dass die Kühlvorrichtung mit dem Kühlmedium zuerst einen geschlossenen Kühlkreislauf als Kokillen-Kühlvorrichtung bildet und bei ganzem oder partiellem Wegbewegen eines Kokillensegmentes das Kühlmedium direkt auf die partiell freigelegte Gussstückoberfläche aufgebracht wird, dabei kann eine offene Kühlung (das Kühlmedium wird weggespült oder verdampft) oder eine weiterhin geschlossene Kühlung formiert werden (die freigelegte Gussstückoberfläche wird geflutet, das Kühlmedium kann aber nicht abfliessen und bildet weiterhin einen geschlossenen Kühlkreislauf mit den Kühlmedium-Zufluss und -Abfluss).
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Wirkungsweise anhand von Figuren und einer schematischen Ausführungsform genauer erläutert.
Das erfindungsgemässe Giessverfahren für Dauerformen soll anhand eines Beispiels zunächst mit den schematischen Figuren 1 bis 10 erklärt werden. Die Dauerform aus welcher die Gussform geformt ist, besteht erfindungsgemäss aus mehreren Formsegmenten. Im vorliegenden Beispiel besteht die Dauerform aus drei Formsegmenten. In der Figur 1 werden die beiden Formhälften 1 und 2 gezeigt (Formoberteil 1 und das Formunterteil 2), wobei das Formoberteil 1 im Gegensatz zu herkömmlichen Dauerformhälften erfindungsgemäss noch das Formsegment 4 umfasst. Selbstverständlich kann in einer realen Umsetzung der Erfindung die Dauerform aus 4 oder mehr Formsegmenten bestehen. Beispielsweise ist es durchaus denkbar, dass das Formoberteil 1 aus mehr als 2 Formsegmenten besteht oder dass auch das Formunterteil 2 mehrere Dauerformsegmente aufweist.
Werden die beiden Dauerformhälften 1 und 2 (inklusive der dazugehörigen Kokillensegmente) geschlossen, wird die eigentliche Gussform bzw. Kavität 5 gebildet in welcher das flüssige Metall zu einem Gussstück erstarren soll.
Wie bei einem Giessverfahren üblich, folgt auf den Verfahrensschritt des Schliessens der Form (Fig. 1) die in Figur 2 dargestellte Füllung der Gussform bzw. Kavität 5 mit einer Metallschmelze (wellig schraffiert dargestellt). Unmittelbar nach oder gleichzeitig mit der Füllung der Gussform 5 mit der Metallschmelze, kann eine Kühlung 3 der Dauerformsegmente zugeschaltet werden.
Die einzelnen Kokillenkühlungen können alle gleichzeitig oder, wie aus dem Übergang von der Figur 2 zur Figur 3 erkennbar, sequenziell zugeschaltet werden. Wie in der Figur 3 ebenfalls schematisch dargestellt ist, beginnt das flüssige Metall durch die zwangsläufig eintretende Wärmeübertragung bzw. Wärmeabfuhr von der flüssigen Metallschmelze auf die Kokille bzw. Dauerform zu erstarren. Die ersten Bereiche mit erstarrendem Metall entstehen in den Bereichen der Gussform mit einer grossen Oberfläche zu Volumen Verhältnis, da in diesen Bereichen die Wärmeabfuhr am grössten ist. Typischerweise sind dies dünnwandige Bereiche der Gussform bzw. des späteren Gussstückes. In einer Gussform erstarrt in solchen Bereichen üblicherweise auch zuerst das Metall am äusseren Rand der Gussform, während der innere Bereich zunächst noch flüssig oder weich bleibt. Es bilden sich damit sogenannte erste Randschalen 6 bzw. der Prozessschritt der Randschalenbildung beginnt (vergleiche Randschale 6 in der Figur 3). Auch wenn der Erstarrungsprozess dank der üblicherweise aus Metall bestehenden Dauerformen (gute Wärmeübertragung und damit -abfuhr) schon favorisiert ist, kann der Erstarrungsprozess und damit die Randschalenbildung durch die Verwendung einer oder mehrerer Kokillenkühlungen 3 selbstverständlich wesentlich beschleunigt werden.
Wesentlich für das erfindungsgemässe Verfahren sind die nun in den Figuren 4 und folgende dargestellten Schritte:

Sobald sich in der Gussform Bereiche mit einer festen Randschale aus erstarrtem Metall bilden, findet eine lokale Teilentformung der Gussform in diesen Bereichen statt. Hierzu wird das Dauerformsegment 4 von der Gussform entfernt, so dass die erstarrte Randschale 6 freigelegt wird (siehe Figur 4). Gleichzeitig mit dieser lokalen Entformung oder (unmittelbar) daran anschliessend, wird die freigelegte Gussstückoberfläche direkt mit einem Kühlmedium, z.B. Wasser (direkt aufgespritzt, als Wassersprühnebel oder durch Flutung des gesamten freigelegten Bereiches mit dem Kühlmedium), gekühlt (siehe Figur 5). Diese Bauteilkühlung ist in der Figur 5 schematisch mit dem Bezugszeichen 7 dargestellt. Als Kühlmedien können selbstverständlich auch andere Flüssigkeiten verwendet werden. Auch eine Anblasung mit Luft, einem anderen Gas oder die Verwendung eines Gasgemischs als Kühlmedium wären denkbar (allerdings ist die Verwendung eines gasförmigen Kühlmediums weniger effizient als eines flüssigen Kühlmediums).

In der Figur 6 wird die wesentlich schnellere Abkühlung und Erstarrung des entstehenden Gussstückes dank des erfindungsgemässen Kühlverfahrens durch die grösser werdende Randschale 6 schematisch angedeutet. Selbstverständlich wird der erfindungsgemäss Kühlprozess auch durch die in diesem Prozessstadium vorzugsweise weiterhin arbeitende Kokillenkühlung 3 weiter unterstützt.
Der erfindungsgemässe Kühlprozess wird vorzugsweise fortgesetzt, bis sich Randschalen um das gesamte Gussstück 8 gebildet haben (Figur 7). Die vorerwähnte Kokillenkühlung 3 kann ab einem gewissen Zeitpunkt im Erstarrungsprozess des Gussstücks auch vorzeitig ausgeschaltet werden (vgl. Figur 7 mit Kokillenkühlung 3 ausser Betrieb, während die direkte Bauteilkühlung 7 noch in Betrieb ist). Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn dadurch verhindert werden kann, dass sich die Dauerformhälften oder Dauerformsegmente zu stark abkühlen. Ein zusätzlicher Aufheizvorgang als Vorbereitung für den nächsten Giessvorgang kann dadurch ganz oder teilweise vermieden werden.
Sobald sich Randschalen um das gesamte Gussstück 8 gebildet haben und das Gussstück 8 selbsttragend ist (d.h. sich nicht mehr verformt), können die Dauerformhälften geöffnet (siehe Figur 8) und das Gussstück 8 herausgenommen werden (siehe Figur 9). Der Giessvorgang ist damit abgeschlossen und kann für die Herstellung eines weiteren Gussstückes von Neuem beginnen (vergleiche Figur 10).
In den weiteren Figuren 11 bis 21 werden verschiedene, speziell für die Anwendung des erfindungsgemässen Giessverfahrens entwickelte Dauerformen gezeigt. Diese sind für die Umsetzung des erfindungsgemässen Giessverfahrens von besonderer Eignung und ermöglichen die effiziente Umsetzung bzw. Verwirklichung der erfindungsgemässen Idee.
Die Figuren 11 und 12 zeigt eine erste Variante einer speziell für die Umsetzung des erfindungsgemässen Giessverfahrens entwickelten Dauerform. Die in diesen Figuren dargestellte Dauerform wird durch 2 Dauerformsegmente 9 und 9' (Segment 9' ist nicht dargestellt) und zwei Schieber 10 und 11 gebildet. Diese Teile bilden aneinandergefügt die Kavität bzw. Gussform 5. Der Schieber 10 ist ein gekühlter Schieber, d.h. er hat eine eingebaute Kühlvorrichtung 12. Diese Kühlvorrichtung besteht im vorliegenden Beispiel aus mehreren Kühlkanälen 13, 14. Der Kühlkanal 14 bildet den Kühlmittelzufluss, die beiden äusseren Kühlkanäle 13 den Kühlmittelabfluss. Die Kühlkanäle der Kühlvorrichtung 12 im Schieber 10 sind in der vorliegenden Ausführungsform derart ausgestaltet, dass der Kühlkanal 14 mit den beiden Kühlkanälen 13 über die kurzen Verbindungskanäle 15 im Schieber 11 verbunden sind. Die Öffnungen der Kühlkanäle 13 und 14 sind fluchtend mit den Öffnungen der beiden Verbindungskanäle 15 angeordnet, so dass sie - wie in der Figur 11 dargestellt - im Zustand einer geschlossenen Gussform (geschlossene Dauerformsegmente bzw. Schieber) zusammen einen formschlüssigen, dichten Kühlkreislauf darstellen.
In einer weiteren, nicht dargestellten Variante, wird auf die im Schieber 11 enthaltenen kurzen Verbindungskanäle 15 verzichtet. Stattdessen kann der Schieber 10 an seiner mit dem zweiten Schieber 11 in Kontakt stehenden Oberfläche eine oder mehrere Nuten aufweisen. Diese Nuten würden im geschlossenen Zustand (beider Schieber) mit der in Kontakt stehenden Oberfläche des Schiebers 11 formschlüssige, dichte Kanäle bilden und so die Funktion der kurzen Verbindungskanäle 15 übernehmen, d.h. den Kühlkanal 14 mit den anderen Kühlkanälen 13 verbinden. Durch diese vereinfachte Konstruktionsweise lassen sich die Herstellkosten des Schiebers 11 senken.
Im Kühlkreislauf kann als Kühlmedium beispielsweise Wasser, Oel oder ein Wasser-Oel-Gemisch verwendet werden. Selbstverständlich ist der Kühlkreislauf der Kühlvorrichtung 12 mit einem externen (hier nicht dargestellten) Wärmetauscher verbunden.
Die Darstellung in der Figur 11 zeigt die Kühlvorrichtung 12 natürlich nur schematisch. Es ist daher durchaus denkbar, dass mehrere Kühlkanäle 14 für den Kühlmittelzufluss und vor allem mehrere Kühlkanäle 13 für den Kühlmittelabfluss vorgesehen sind. So können die Kühlmittelkanäle beispielsweise für eine optimale Kühlung gleichmässig verteilt unterhalb der Oberfläche des Schiebers 10 im Bereich der Kavität 5 angeordnet sein.
Analog zu den vorangehenden Figuren und wie bei einem Giessverfahren allgemein üblich, wird für den Giessvorgang die formschlüssig gebildete Kavität 5 zunächst mit flüssigem Metall (in den Figuren 11 und 12 schraffiert dargestellt) gefüllt. Unmittelbar nach oder allenfalls gleichzeitig mit der Füllung der Gussform 5 mit der Metallschmelze kann die Kühlvorrichtung 12 des Schiebers 10 zugeschaltet werden, welche - wie in der Figur 11 dargestellt - einen geschlossen Kühlkreislauf bildet. Die zugeschaltete Kühlvorrichtung 12 bewirkt eine erhöhte Wärmeabfuhr, so dass das flüssige Metall im Bereich des gekühlten Schiebers 10 schneller erstarrt und so relativ schnell ein Bereich mit fester Randschale aus erstarrtem Metall bildet. Sobald diese ausgebildete Randschale um den Schieber 10 stabil genug ist, kann der Schieber partiell aus dem bisher geschlossenen Zustand wegbewegt, d.h. teilentformt werden (siehe Figur 12). Durch diese Teilentformung wird ein Bereich mit fester Randschale der Gussstückoberfläche freigelegt und nun gemäss der vorliegenden Erfindung unmittelbar mit dem Kühlmedium 21 der Kühlvorrichtung 12 - z.B. Wasser - beaufschlagt, d.h. der entformte Bereich bzw. die freigelegte Gussstückoberfläche wird unmittelbar mit dem Kühlmedium geflutet.
Während dieses erfindungsgemässen Prozessschrittes der Teilentformung und gleichzeitiger Flutung, bleibt der geschlossene Kühlkreislauf der Kühlvorrichtung 12 vorzugsweise natürlich weiterhin in Betrieb. Dies wird in der Figur 12 schematisch durch die Pfeile an den Kühlkanälen 13 und 14 der Kühlvorrichtung 12 des Schiebers 10 dargestellt.
Durch die direkte Beaufschlagung des Gussstückes mit dem Kühlmedium wird der Erstarrungsprozess erfindungsgemäss wesentlich beschleunigt. Es ergeben sich daraus die vorerwähnten besseren Gefügeeigenschaften im gegossenen Bauteil sowie eine erhebliche Taktzeitreduktion (höhere Produktivität der Giessvorrichtung).
Die Figuren 13 und 14 zeigen eine weitere Variante einer speziell für die Umsetzung des erfindungsgemässen Giessverfahrens entwickelten Dauerform. Die Arbeits- und Funktionsweise der in diesen Figuren dargestellten Dauerform ist bis auf zwei Unterschiede analog zur Dauerform der Figuren 11 und 12: In den Figuren 13 und 14 weist der Schieber 16 einerseits keine während des eigentlichen Giessvorganges betreibbare Kühlvorrichtung auf, dafür ist er mit integrierten Düsenöffnungen 25 für die Beaufschlagung der Gussstückoberfläche mit einem Kühlmedium 21 versehen. Andererseits ist der Kühlkreislauf in der Dauerformvariante der Figuren 13 und 14 offen und nicht geschlossen.
Die Dauerform wird hier im Wesentlichen durch die beiden Dauerformsegmente 17 und den Schieber 16 gebildet, welche die Kavität bzw. Gussform 5 definieren. Der Schieber 16 besitzt integrierte Kühlkanäle 18, welche beispielsweise als einfache Bohrungen ausgestaltet sein können. Die Kühlkanäle sind über eine externe - nicht dargestellte - Vorrichtung mit einem geeigneten Kühlmedium unter Druck beaufschlagt. Befindet sich die Dauerform im geschlossenen Zustand, so sind auch die Öffnungen 25 der Kühlkanäle 18, welche sich an der Oberfläche des Schiebers 16 befinden, formschlüssig durch die Dauerformsegmente 17 dicht verschlossen. D.h. im geschlossenen Zustand der Dauerform gemäss Figur 13 fliesst kein Kühlmedium und es findet keine zusätzliche Kühlung durch die Kühlkanäle 18 statt.
Auch beim Giessverfahren mit dieser zweiten Variante der erfindungsgemässen Dauerform wird die formschlüssig gebildete Kavität 5 zunächst mit flüssigem Metall (in den Figuren 13 und 14 schraffiert dargestellt) gefüllt. Sobald der Erstarrungsprozess genug weit fortgeschritten ist, dass sich in der Gussform im Bereich um den Schieber 16 eine feste Randschale aus erstarrtem Metall gebildet hat und diese ausgebildete Randschale um den Schieber 16 stabil genug ist, kann der Schieber 16 partiell aus dem bisher geschlossenen Zustand wegbewegt und die Gussform mit fester Randschale teilentformt werden (siehe Figur 14). Durch diese Teilentformung werden die bisher verschlossenen Öffnungen 25 der Kühlkanäle 18 im Schieber 16 freigelegt und das darin unter Druck enthaltene Kühlmedium 21 kann austreten. Die Kühlkanäle 18 mit den Öffnungen 25 sind dabei derart angeordnet, dass das - z.B. als Sprühstrahl oder Sprühnebel - austretende Kühlmedium 21 auf die freigelegte Gussstückoberfläche auftrifft (siehe schematische Darstellung in Figur 14) und damit Letztgenanntes unmittelbar kühlt und dadurch den Erstarrungsprozess wesentlich beschleunigt. Im Gegensatz zur Dauerform in den beiden vorangehenden Figuren, weist diese zweite Variante der erfindungsgemässen Dauerform keinen geschlossenen, sondern einen offenen Kühlkreislauf auf. D.h. das Kühlmedium 21 in den Figur 14 tritt aus, verdampft möglicherweise partiell und muss abgeführt werden. Die durch die beiden Kühlkanäle 18 dargestellte Kühlvorrichtung in dieser zweiten Variante funktioniert auch nicht solange die Dauerform geschossen ist, denn die Öffnungen 25 sind in diesem Zustand formschlüssig verschlossen.
Ein Vorteil dieser zweiten Variante der erfindungsgemässen Dauerform ist ihre einfachere Konstruktionsweise und vor allem dass ihr Kühlkreislauf offen ist und quasi automatisch bei der Teilentformung einsetzt.
In einer Untervariante dieser zweiten erfindungsgemässen Dauerform sind die Kühlkanäle 18 nicht als Bohrungen im Schieber 16, sondern als Schlauchverbindungen (z.B. aus Metall) ausgeführt, deren Austrittsöffnungen vorzugsweise auch auf formschlüssiger Weise verschlossen sind, solange die Dauerform geschlossen ist. Das Vorsehen von Schlauchverbindungen anstelle von Bohrungen im Schieber 16 ermöglicht u.a. einer günstigere Herstellung der Dauerform und eine leichtere Ausrichtung des austretenden Kühlmedium-Strahls 21 an den Öffnungen 25.
Auch mit der zweiten Variante ergibt sich eine direkte Beaufschlagung des Gussstückes mit dem Kühlmedium 21. Es ergeben sich daraus die vorerwähnten besseren Gefügeeigenschaften im gegossenen Bauteil sowie eine erhebliche Taktzeitreduktion (höhere Produktivität der Giessvorrichtung).
Selbstverständlich sind auch Kombinationen der beiden eben beschriebenen Varianten der erfindungsgemässen Dauerform denkbar. So kann z.B. der Schieber 16 der zweiten, in den Figuren 13 und 14 gezeigten Variante einen zusätzlichen Kühlkreislauf aufweisen, welcher einen geschlossenen Kühlkreislauf bildet, solange die Dauerform geschlossen ist bzw. die Öffnungen 18 formschlüssig blockiert sind. Hierzu müsste man im Schieber 16 lediglich eine zusätzliche (nicht dargestellte) Verbindung bzw. Bohrung zwischen den Kühlkanälen 18 vorsehen, sowie einen der beiden Kühlkanäle 18 als Kühlmediumzu- und den anderen als Kühlmediumabfluss umfunktionieren. Wird der Schieber 16 aus der geschlossenen Position wegbewegt, tritt das Kühlmedium in oben beschriebener Weise aus und kühlt die freigelegte Gussstückoberfläche in einem offenen Kühlkreislauf, während die zusätzlich vorgesehen Verbindung bzw. Bohrung im Schieber 16 wirkungslos wird.
Die Figuren 15 und 16 zeigen eine weitere Variante einer erfindungsgemässen Dauerform. Hier werden auf einfache Weise durch das Wegbewegen des Schiebers 19 die Öffnungen 25 der Kühlkanäle 20 sequenziell - d.h. je nach Position des Schiebers 19 - in Betrieb genommen. Dies kann von Vorteil sein, wenn man die auf das Gussstück ausgeübte Kühlwirkung über die Menge des austretenden Kühlmediums 21 steuern will. Durch das Vorsehen vieler Kühlkanäle 20 mit entsprechenden Öffnungen 25 in den Dauerformsegmenten 1, 2 wird das abzukühlende Gusstück auch besser mit dem Kühlmedium 21 benetzt bzw. besprüht.
Die Figuren 17 bis 21 zeigen die typischen Verfahrensschritte, welche mit dem erfindungsgemässen Giessverfahren und einer erfindungsgemässen Giessvorrichtung bzw. Dauerform durchlaufen werden. In den genannten Figuren wird beispielsweise eine Kokillengiessvorrichtung dargestellt. In der Figur 17 ist die im Wesentlichen aus zwei Dauerformsegmenten 17 und einem Schieber 22 bestehende Dauerform im geschlossenen Zustand dargestellt. Der Schieber 22 besitzt unter anderem einen Temperatursensor 23, welcher zur Ermittlung der Oberflächentemperatur im angrenzenden Bereich der Gussform 5 dient. Der Temperatursensor 23 ist messtechnisch mit einer Steuerung 24 verbunden, welche mit einem (nicht näher dargestellten) Mechanismus zur Entfernung des Schiebers 22 zusammenwirkt. Die Steuerung 24 ist insbesondere dazu gedacht, in Abhängigkeit der durch den Temperatursensor 23 gemessenen bzw. eruierten Oberflächentemperatur der in der Kavität 5 entstehenden Gussstückoberfläche, den Schieber 22 partiell oder vollständig aus dem geschlossenen Zustand wegzubewegen und so einen Teil der Gusstückoberfläche zwecks direkter Kühlmedium-Beaufschlagung freizugeben.
Der Schieber 22 weist in der Vorrichtung gemäss den Figuren 17 bis 21 zudem eine Kühlvorrichtung 12 auf mit geschlossenem Kühlkreislauf, welche analog zur vorangehenden Beschreibung zur Kühlvorrichtung der Fig. 11 funktioniert. Der Kühlkreislauf der Kühlvorrichtung 12 in den Figuren 17 bis 21 bleibt jedoch zu jedem Zeitpunkt geschlossen, so dass das darin verwendete Kühlmedium auch nie in direktem Kontakt mit der Gussteiloberfläche kommt.
Die erfindungsgemässe Giessvorrichtung der Figuren 17 bis 21 weist in ihren beiden Dauerformsegmenten 17 sowie im Schieber 22 Kühlkanäle 20 auf, welche analog zur Ausführungsform der Figuren 15 und 16 funktionieren. Die Kühlkanäle 20 können - müssen aber nicht - im Zustand der geschlossenen Dauerform bereits mit einem unter Druck beaufschlagtem Kühlmedium gefüllt sein. Befindet sich die Dauerform im genannten geschlossenen Zustand, so sind die Austrittsöffnungen 25 der Kühlkanäle 20 - wie auch schon in den vorangehenden Beispielen - formschlüssig verschlossen.
In der in den Figuren 17 bis 21 dargestellten Giessvorrichtung werden, analog zur Ausführungsform der Figuren 15 und 16, durch das Wegbewegen des Schiebers 22 Kühlkanäle 20 sequenziell - d.h. je nach Position des Schiebers 22 - freigesetzt und damit in Betrieb genommen werden. Hierdurch kann man die auf die Gussform 5 ausgeübte Kühlwirkung über die Anzahl freigesetzter Kühlkanäle 20 bzw. über die Menge des dadurch austretenden Kühlmediums 21 steuern.
Im geschlossenen Zustand der Dauerform gemäss Figur 17 wird als erster Verfahrensschritt das flüssige Metall in herkömmlicher Weise in die Kavität 5 gefüllt. Der eigentliche Formfüllvorgang der Dauerform mit flüssigem Metall ist Stand der Technik und findet wie bei den vorangehenden Beispielen statt. Dank des Temperatursensors 23 und der damit verbundenen Steuerung 24 ist es hier jedoch möglich, die vollständige Füllung der Kavität 5 mit flüssigem Metall als Temperaturanstieg zu messen und damit zu bestätigen: Überschreitet die durch den Temperatursensor 23 gemessene Temperatur eine Mindesttemperatur T_voll,(siehe Pfeil in der Steuerung 24 der Fig. 17) so kann dies von der Steuerung 24 als Nachweis für die vollständige Füllung der Gussform 5 gewertet werden.
Im zweiten, in der Figur 18 dargestellten, Verfahrensschritt wird mit der forcierten Kühlung der Schmelze in der Kavität 5 begonnen: Die Kühlvorrichtung 12 des Schiebers 22 wird in Betrieb genommen und der Temperaturverlauf der in der Kavität 5 befindlichen Schmelze wird über den Temperatursensor 23 bzw. über die Steuerung 24 gemessen und kontrolliert (siehe Pfeil in der Steuerung 24 der Fig. 18).
Dank der vorgesehenen Kühlvorrichtung 12, kühlt die Schmelze bzw. das Metall in der Kavität 5 relativ schnell ab. Unterschreitet die gemessene Temperatur einen vorgegebenen Wert T_Entform - wie in der Figur 19 dargestellt - so gibt die Steuerung 24 der Schieber-Aktorik bzw. dem Mechanismus zur Bewegung des Schiebers 22 in einem zweiten Verfahrensschritt das Signal den Schieber 22 wegzuziehen. Der Wert T_Entform muss hierbei natürlich einem Temperaturbereich entsprechen, bei welchem vorausgesetzt werden kann, dass sich hinter der unmittelbaren Gussstückoberfläche eine genügend stabile Randschale für die partielle Entformung des Gussstückes gebildet hat. Mit dem Wegbewegen des Schiebers 22 wird nicht nur ein Teil der Gussstückoberfläche freigelegt, sondern auch die Öffnungen 25 der Kühlkanäle 20. Sind die Kühlkanäle 20 mit einem Kühlmedium unter Druck gefüllt, so tritt das Kühlmedium zugleich mit der Freilegung der Öffnungen aus und kühlt dadurch unmittelbar die freigelegte Gussstückoberfläche. Gemäss der dargestellten Giessvorrichtung ist es grundsätzlich möglich die Öffnungen der Kühlkanäle 20 sequenziell freizugeben und dadurch die Kühlwirkung stufenweise zu steigern. Selbstverständlich müssen die Kühlkanäle 20 nicht die gesamte Zeit über mit einem Kühlmedium gefüllt sein und unter Druck stehen. Es ist auch denkbar, dass die Kühlkanäle 20 im ersten Verfahrenschritt leer sind und erst beim zweiten Verfahrensschritt gemäss Figur 19 mit einem extern zugeführten Kühlmedium zwecks Kühlung der freigelegten Gussstückoberfläche geflutet werden. Die Steuerung 24 kann entsprechend ausgebildet sein.
Die folgende Figur 20 zeigt bereits einen dritten Verfahrenschritt, bei welchem die mittels Sensor 23 gemessene Temperatur (siehe Pfeil in der Steuerung 24) an der Oberfläche des Schiebers 22 einen bestimmten Wert T_min unterschritten hat. Stellt die Steuerung 24 fest, dass dieser Wert T_min unterschritten wird, so nimmt sie die Kühlvorrichtung 12 des Schiebers 22 ausser Betrieb. Durch diese Massnahme wird verhindert, dass sich der Schieber 22 zu stark abkühlt. Werden nämlich Dauerformsegmente zu stark abgekühlt, so können beim nächsten Giessvorgang Formfüllprobleme oder Giessfehler entstehen. Während die Kühlvorrichtung 12 abgestellt ist, wird das Gussstück jedoch weiterhin mit dem Kühlmedium 21 direkt abgekühlt. Der Kühlkreislauf des Kühlmediums 21 ist hier offen, d.h. das Kühlmedium 21 läuft aus der Giessvorrichtung aus und muss - was nicht verdampft - abgeführt werden.
In der Figur 21 wird der letzte Verfahrensschritt dargestellt: Ist das Gussstück genügend abgekühlt und damit erstarrt, so kann die weitere Beschickung des Gussstückes mit dem Kühlmedium 21 aus den Kühlkanälen 20 abgestellt werden. Die beiden Dauerformsegmente 17 können geöffnet und das Gussteil entfernt werden. Die Giessvorrichtung ist damit bereit für einen neuen Giessvorgang.
Es soll darauf hingewiesen werden, dass die vorgenannte Steuerung 24 der erfindungsgemässen Giessvorrichtung gemäss der Figuren 17 bis 21 auch einfacher ausgestaltet werden kann. So wäre es z.B. denkbar den Temperatursensor 23 wegzulassen und die Vorrichtung bzw. Steuerung 24 nur zeitabhängig anhand von zuvor ermittelten Werten zu steuern.
Auch soll an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen werden, dass die vorangehend beschriebenen Schieber ebenfalls Dauerformsegmente darstellen.
Die vorliegende Erfindung umfasst daher ein Giessverfahren mit bzw. für Dauerformen. Dies können insbesondere metallische oder auch keramische Dauerformen zum Giessen von Metall sein. Vorzugsweise wird das erfindungsgemässe Giessverfahren im Kokillen- oder auch im Druckgussverfahren eingesetzt. Die Gussform wird dabei aus einer oder aus mehreren Dauerformsegmenten gebildet. Das erfindungsgemässe Giessverfahren weist folgende Schritte auf:

Schliessen der Dauerformsegmente
Befüllen der Dauerform mit flüssigem Metall,
nach Ausbildung eines Bereichs mit fester Randschale aus erstarrtem Metall, eine Teilentformung des entstehenden Gussstückes im Bereich mit fester Randschale durch Entfernung einer oder mehrerer Dauerformsegmente
und dass der freigelegte Bereich der Gussstückoberfläche mit fester Randschale mit einem Kühlmedium beaufschlagt wird.

Vorzugsweise wird für die Kühlmedium-Beaufschlagung Wasser oder ein Sprühnebel aus Wasser und Luft verwendet. Die Kühlmedium-Beaufschlagung kann auch durch Flutung der gesamten freigelegten Gussstückoberfläche mit dem Kühlmedium geschehen, wodurch der Erstarrungsprozess des Gussstückes beschleunigt wird.
Gemäss dem erfindungsgemässen Giessverfahren mit bzw. für Dauerformen, können - entsprechend dem Erstarrungsfortschritt - weitere Dauerformsegmente lokal entformt werden. Die dadurch zusätzlich freigelegten, festen Randschalen des Gussstückes können ebenfalls mit dem Kühlmedium beaufschlagt werden, um den Erstarrungsprozess des Gussstückes noch weiter zu beschleunigen.
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung können einzelne Dauerformsegmente - insbesondere sogenannte Schieber - eine Kühlvorrichtung aufweisen. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren werden diese Kühlvorrichtungen nach der Befüllung der Dauerform bzw. deren Kavität mit flüssigem Metall eingeschaltet.
Sind mehrere Kühlvorrichtungen vorgesehen, so können diese einzeln bzw. sequenziell zugeschaltet werden. Vorzugsweise werden die Kühlvorrichtungen jener Dauerformsegmente zuerst zugeschaltet, welche in einem späteren Verfahrensschritt bewegt bzw. entfernt werden sollen (sog. Schieber).
Die Erfindung umfasst nebst dem Giessverfahren auch eine Giessvorrichtung, welche für die Anwendung des Giessverfahrens geeignet ist. Hierzu werden mehrere, eine Gussform bildende Dauerformsegmente verwendet. Die Giessvorrichtung weist erfindungsgemäss einen Mechanismus zur Entfernung einzelner Dauerformsegmente bzw. Schieber auf, welche zur lokalen vorzeitigen Entformung erstarrter Gussformbereiche dienen.
Diese Dauerformsegmente bzw. Schieber, welche durch den Mechanismus bzw. Schieber-Aktorik entfernbar sind, können einen oder mehrere Temperatursensoren für die Ermittlung der Oberflächentemperatur im Bereich der Gussform aufweisen.
Vorzugsweise verfügt der Schieber bzw. das Dauerformsegment, welches durch den Mechanismus entfernbar ist, über eine eigene Kühlvorrichtung. In dieser Kühlvorrichtung wird als Kühlmedium vorzugsweise Wasser, Öl oder ein Wasser-Öl-Geschmisch eingesetzt.
Besonders bevorzugt weisen nebst dem Schieber auch andere Dauerformsegmente Kühlvorrichtungen auf, welche vorzugsweise ebenfalls als Kühlmedium Wasser, Oel oder ein Wasser-Öl-Geschmisch einsetzen.
Die Giessvorrichtung kann in einer bevorzugten Ausführungsform auch eine Steuerung aufweisen, welche den Mechanismus zur Entfernung einzelner Dauerformsegmente steuert.
So kann diese Steuerung beispielsweise den Mechanismus bzw. die Aktorik zur Entfernung einzelner Dauerformsegmente (Schieber) in Abhängigkeit von einer gemessenen Oberflächentemperatur oder auch zeitabhängig steuern.
Die Erfindung umfasst nebst dem Giessverfahren, der Giessvorrichtung auch eine erfindungsgemässe Dauerform, welche im Wesentlichen aus mindestens zwei die Dauerform bildenden Dauerformsegmenten gebildet wird. Bei mindestens einem der Dauerformsegmente, vorzugsweise einem sog. Schieber, wird eine Kühlvorrichtung vorgesehen. Diese kann unter anderem aus einem oder mehreren dem Dauerformsegment zugeordneten oder darin integrierten Kühlkanälen für den Transport eines Kühlmediums bestehen.
Bevorzugt werden die Öffnungen dieser Kühlkanäle derart angeordnet, dass sie sich formschlüssig und damit dicht in geschlossenem Zustand befinden, solange sich die Dauerformsegmente bzw. der Schieber mit den anderen Dauerformsegmenten im geschlossenen und die Dauerform bildenden Zustand befinden und dass die Öffnungen dieser Kühlkanäle freigelegt werden, sobald eines der Dauerformsegmente bzw. der Schieber aus dem geschlossenen Zustand bewegt wird.
Bevorzugt stellen die Kühlkanäle im Dauerformsegment bzw. im Schieber eingebrachte Bohrungen dar. Hierbei können die Öffnungen dieser Kühlkanäle derart an der Oberfläche des Dauerformsegmentes bzw. des Schiebers angeordnet sein, dass bei freigelegter Öffnung und druckbeaufschlagter Beschickung der Kühlkanäle mit einem Kühlmedium, das Kühlmedium in Richtung Gussstückoberfläche bzw. Kavität befördert, z.B. aufgesprüht wird.
Die Kühlkanäle können auch durch auf oder in der Oberfläche des Dauerformsegmentes eingebrachte Leitungen, vorzugsweise Schläuche, oder Nuten gebildet werden. Die Öffnungen dieser Leitungen können hierbei derart an der Oberfläche des Dauerformsegmentes angeordnet sein, dass bei freigelegter Öffnung und druckbeaufschlagtem Transport eines Kühlmediums in den Leitungen oder Nuten das Kühlmedium in Richtung Gussstück bzw. Kavität zwecks direkter Kühlung befördert wird.
Konstruktiv kann auch vorgesehen sein, dass bei partiellem Abheben eines der Dauerformsegmente bzw. des Schiebers, die Öffnungen der Kühlkanäle an der Dauerformsegmentoberfläche bzw. Schieber freigelegt werden und dabei der damit freigelegte Bereich der Gussstückoberfläche mit dem Kühlmedium direkt geflutet wird. Hierbei kann sowohl ein geschlossener wie auch einen offener Kühlkreislauf gebildet werden.
Die Kühlvorrichtung im Schieber bzw. in den Dauerformsegmenten besteht aus mindestens zwei Kühlkanälen. Hierbei dient sicher ein Kühlkanal als Kühlmedium-Zufluss und sicher ein Kühlkanal als Kühlmedium-Abfluss. Die Kühlkanäle können derart angeordnet sein, dass wenn sich die Dauerformsegmente bzw. der Schieber mit den anderen Dauerformsegmenten im formschlüssig geschlossenem und die Dauerform bildenden Zustand befinden, die genannten Kühlkanäle im oder an den Dauerformsegmenten einen geschlossenen Kühlkreislauf bilden.
Eine weitere Variante des erfindungsgemässen Giessverfahrens ist die Verwendung von einem oder von mehreren sog. "verlorener Formsegmente" anstelle der zu entfernenden, einzelnen Dauerformsegmenten. Unter verlorenen Formsegmenten sind vorzugsweise Sandgusssegmente zu verstehen. Bei dieser Variante des erfindungsgemässen Verfahrens wird nach Ausbildung eines Bereiches mit fester Randschale aus erstarrtem Metall das sog. "verlorene Formsegment" an dieser Stelle einfach mit dem Kühlmedium weggespült. Hierdurch erhält man eine besonders einfache Giessvorrichtung, denn diese benötigt keinen speziellen Mechanismus zur Entfernung einzelner Dauerformsegmente wie bei den vorgenannten Varianten der Erfindung. Die vorzeitige, lokale Teilentformung geschieht einfach durch das Wegspülen der zu entfernenden (verlorenen) Formsegmente. Im Gegensatz zum Ablationsverfahren, wo die gesamte Sandform weggespült wird, kann hier jedoch weiterhin mit Dauerformen gearbeitet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die explizit beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Diese Varianten sind vielmehr als Anregung für den Fachmann gedacht, um die Erfindungsidee möglichst günstig umzusetzen. Von den beschriebenen Ausführungsformen sind daher leicht weitere, vorteilhafte Anwendungen und Kombinationen ableitbar, welche den Erfindungsgedanken ebenfalls wiedergeben und durch die folgenden Ansprüche geschützt werden sollen.

Legende

1: Dauerformhälfte, Formoberteil
2: Dauerformhälfte, Formunterteil
3: Kühlung, Kokillenkühlung
4: Formsegment, Dauerformsegment, Kokillensegment
5: Kavität, Gussform
6: Randschale
7: Direkte Bauteil- bzw. Gussteilkühlung
8: Gusstück
9: Dauerformsegment
10: Gekühlter Schieber
11: Schieber
12: Kühlvorrichtung Schieber
13: Kühlkanal für den Kühlmittelabfluss
14: Kühlkanal für den Kühlmittelzufluss
15: Verbindungskanal
16: Schieber mit integriertem Kühlmittelzufluss bzw. Düsenöffnungen
17: Dauerformsegment
18: Kühlkanal
19: Schieber
20: Kühlkanal
21: Kühlmedium
22: Schieber
23: Temperatursensor
24: Steuerung
25: Öffnungen

Claims

Giessverfahren für Dauerformen, insbesondere metallische oder keramische Dauerformen, zum Giessen von Metall, vorzugsweise nach dem Kokillen- oder Druckgussverfahren, in eine aus mehreren Dauerformsegmenten (1,2, 4, 9, 10, 11, 16, 17, 19, 22) gebildete Gussform (5), wobei das Giessverfahren folgende Schritte aufweist:
- Schliessen der Dauerformsegmente (1,2, 4, 9, 10, 11, 16, 17, 19, 22)

- Befüllen der Dauerform mit flüssigem Metall,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach Ausbildung eines Bereichs mit fester Randschale (6) aus erstarrtem Metall, eine Teilentformung des entstehenden Gussstückes (8) im Bereich mit fester Randschale (6) durch Entfernung einer oder mehrerer Dauerformsegmente (4, 10, 16, 19, 22) geschieht
und dass der freigelegte Bereich der Gussstückoberfläche mit fester Randschale (6) mit einem Kühlmedium (21) beaufschlagt wird, wobei hierzu vorzugsweise Wasser oder ein Sprühnebel aus Wasser und Luft verwendet wird, und wobei die Kühlmedium-Beaufschlagung besonders bevorzugt durch Flutung der gesamten freigelegten Gussstückoberfläche mit dem Kühlmedium geschieht,
um den Erstarrungsprozess des Gussstückes zu beschleunigen.
Giessverfahren mit Dauerformen zum Giessen von Metall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend dem Erstarrungsfortschritt weitere Dauerformsegmente lokal entformt werden,
und dass die zusätzlich freigelegten festen Randschalen des Bauteiles ebenfalls mit dem Kühlmedium beaufschlagt werden, um den Erstarrungsprozess des Gussstückes weiter zu beschleunigen.
Giessverfahren mit Dauerformen zum Giessen von Metall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Dauerformsegmente (4, 10, 22) eine Kühlvorrichtung (3, 12) aufweisen, welche nach der Befüllung der Dauerform mit flüssigem Metall eingeschaltet werden.
Giessverfahren mit Dauerformen zum Giessen von Metall nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlvorrichtungen (12, 20) einzelner Dauerformsegmente (2, 19, 22) sequenziell zugeschaltet werden, wobei vorzugsweise die Kühlvorrichtungen jener Dauerformsegmente zuerst zugeschaltet werden, welche in einem späteren Verfahrensschritt entfernt werden sollen.
Giessvorrichtung geeignet für die Anwendung eines Giessverfahrens gemäss einer der vorangehenden Verfahrensansprüche, enthaltend mehrere eine Gussform bildende Dauerformsegmente (1,2, 4, 9, 10, 11, 16, 17, 19, 22), dadurch gekennzeichnet, dass die Giessvorrichtung einen Mechanismus zur Entfernung einzelner Dauerformsegmente (4, 10, 16, 19, 22) zur lokalen vorzeitigen Entformung erstarrter Gussstückbereiche aufweist.
Giessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dauerformsegment (4, 10, 16, 19, 22), welches durch den Mechanismus entfernbar ist, Temperatursensoren (23) für die Ermittlung der Oberflächentemperatur im Bereich der Gussform (5) aufweist.
Giessvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dauerformsegment (4, 10, 16, 19, 22), welches durch den Mechanismus entfernbar ist, über eine eigene Kühlvorrichtung (3, 12) verfügt, vorzugsweise wird in der Kühlvorrichtung (3, 12) als Kühlmedium (21) Wasser, Oel oder ein Wasser-Öl-Geschmisch eingesetzt.
Giessvorrichtung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauerformsegmente (4, 10, 16, 19, 22) Kühlvorrichtungen (3, 12, 18) aufweisen, vorzugsweise wird als Kühlmedium (21) Wasser, Oel oder ein Wasser-Öl-Geschmisch eingesetzt.
Giessvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessvorrichtung eine Steuerung (24) aufweist, welche den Mechanismus zur Entfernung einzelner Dauerformsegmente (4, 10, 16, 19, 22) steuert.
Giessvorrichtung gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (24) den Mechanismus zur Entfernung einzelner Dauerformsegmente (4, 10, 16, 19, 22) in Abhängigkeit von einer gemessenen Oberflächentemperatur oder zeitabhängig steuert.
Dauerform für die Verwendung in einer Giessvorrichtung oder mit einem Dauerformgiessverfahren gemäss einer der vorangehenden Ansprüche, enthaltend mindestens zwei die Dauerform bildende Dauerformsegmente (1,2, 4, 9, 10, 11, 16, 17, 19, 22), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Dauerformsegmente (1, 4, 10, 11, 16, 19, 22) ein oder mehrere zugeordnete, vorzugsweise im Dauerformsegment integrierte, Kühlkanäle (3,13, 14, 15, 18, 20) für den Transport eines Kühlmediums (21) aufweisen,
wobei die Öffnungen (25) der Kühlkanäle (13, 14, 15, 18, 20) derart angeordnet sind, dass sie sich formschlüssig in geschlossenem Zustand befinden, solange sich die Dauerformsegmente (10, 11, 16, 19, 22) im geschlossenen und die Dauerform bildenden Zustand befinden und dass die Öffnungen (25) dieser Kühlkanäle (13, 14, 15, 18, 20) freigelegt werden, sobald eines der Dauerformsegmente (10, 11, 16, 19, 22) aus dem geschlossenen Zustand bewegt wird.
Dauerform gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (13, 14, 15, 18, 20) im Dauerformsegment eingebrachte Bohrungen darstellen und dass die Öffnungen (25) dieser Kühlkanäle (13, 14, 15, 18, 20) derart an der Oberfläche des Dauerformsegmentes (10, 11, 16, 19, 22) angeordnet sind, dass bei freigelegter Öffnung (25) und druckbeaufschlagtem Transport eines Kühlmediums (21) in den freigelegten Kühlkanälen (13, 14, 15, 18, 20), ein Kühlmedium in Richtung Gussstück bzw. Kavität (5) befördert wird.
Dauerform gemäss einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle durch auf oder in der Oberfläche des Dauerformsegmentes eingebrachte Leitungen, vorzugsweise Schläuche, oder Nuten gebildet werden und dass die Öffnungen dieser Leitungen derart an der Oberfläche des Dauerformsegmentes angeordnet sind, dass bei freigelegter Öffnung und druckbeaufschlagtem Transport eines Kühlmediums in den Leitungen oder Nuten das Kühlmedium in Richtung Gussstück bzw. Kavität befördert wird.
Dauerform gemäss einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei partiellem Abheben eines Dauerformsegmentes (10) die Öffnungen (25) der Kühlkanäle (13, 14, 18, 20) an der Dauerformsegmentoberfläche freigelegt werden und dabei der damit freigelegte Bereich der Gussstückoberfläche mit dem Kühlmedium (21) direkt geflutet wird, wobei dadurch ein geschlossener oder einen offener Kühlkreislauf gebildet wird.
Dauerform gemäss einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauerformsegmente (10) mindestens zwei Kühlkanäle (13, 14) aufweisen, wobei mindestens ein Kühlkanal (14) als Kühlmedium-Zufluss und mindestens ein Kühlkanal (13) als Kühlmedium-Abfluss dient, und die Kühlkanäle (13, 14, 15) derart angeordnet sind, dass wenn sich die Dauerformsegmente (9, 11, 10) im formschlüssig geschlossenem und die Dauerform bildenden Zustand befinden, die genannten Kühlkanäle (13, 14, 15) im oder in den Dauerformsegmenten (10) einen geschlossenen Kühlkreislauf (12) bilden.
Giessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder Giessvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zu entfernenden Dauerformsegmente durch verlorene Formsegmente, bevorzugt Sandgusssegmente, ersetzt werden und die Teilentformung durch das Wegspülen dieser verlorenen Formsegmente mit dem Kühlmedium (21) geschieht.