EP3188860B1

EP3188860B1 - Verfahren zur herstellung von eisenmetallgüssen

Info

Publication number: EP3188860B1
Application number: EP15753958.6A
Authority: EP
Inventors: Hans-Peter Puy
Original assignee: Huppert Engineering & Co KG GmbH
Current assignee: Huppert Engineering & Co KG GmbH
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: US20170355015A1; MX2017002802A; CN106715003B; DE102014217701A1; ES2687103T3; MX362145B; KR20170049566A; KR102139349B1; EP3188860A1; BR112017004311A2; CN106715003A; WO2016034467A1; US10086430B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Eisenmetallgüssen. Gießverfahren werden typischerweise nach ihrer Herstellungsart unterschieden, wobei insbesondere das Gießen in einer verlorenen Form und das Gießen in einer Dauerform, zum Beispiel der Kokillenguss und der Druckguss, unterschieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert die beiden Gusstechniken, indem eine verlorene Form mit einem Hohlraum zur Aufnahme des Gusses in eine geöffnete mehrteilige Kokille eingesetzt wird. Auch eine solche Kombination einer verlorenen Form mit einer Kokille ist grundsätzlich bekannt. Beispielhaft wird auf die Schriften JP S59-97740 A , EP 0 760 723 B1 , EP 1 131 175 B1 und DE 10 2010 035 440 A1 verwiesen.
Aus der JP S59-97740 A ist ein Gießverfahren bekannt, bei dem Einsätze aus einem feuerfesten sowie wasserlöslichen oder durch ein Lösungsmittel löslichen Material in eine metallische Dauerform eingesetzt werden. Anschließend wird der verbleibende Hohlraum mit einer Schmelze gefüllt. Das auf diese Weise gegossene Produkt wird gemeinsam mit den Einsätzen aus der Dauerform entnommen und anschließend in Wasser oder ein Lösungsmittel getaucht, wodurch die Einsätze entfernt werden.
In der EP 0 760 723 B1 werden verschiedene Möglichkeiten zum Verschließen des Einlasses für die Schmelze einer Gussvorrichtung vorgeschlagen. Die Gussvorrichtung weist dabei eine Nassguss-Sandform auf. Das Verschließen erfolgt bei einer Ausführung mittels eines bewegbaren, hohlen Elements, durch das die Schmelze fließt und das bei einer ausreichend großen axial gerichteten Kraft in axialer Richtung in die Form gedrückt wird und auf diese Weise den Einlass verschließt. Bei einer anderen Ausführung ist ein Stopfen aus Formsand vorgesehen, der nach dem Abschluss des Einlassens der Schmelze in einen Einlasskanal gepresst wird, so dass der Einlasskanal verschlossen wird.
Die EP 1 131 175 B1 befasst sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Gießen von Gusseisen in einer Kokille, deren Innenwände in Kontakt mit einer Form aus einem härtenden Formmaterial oder Grünsand in Kontakt stehen. Nachdem die Form in die Kokille eingebracht wurde, werden die Seitenteile der Kokille geschlossen und mittels einer Druckeinrichtung einem variablen Anpressdruck ausgesetzt. Die Kokille wird mittels einer Kühleinrichtung nach dem Einbringen der Schmelze gekühlt. Es wird hierzu vorgeschlagen die Kühlgeschwindigkeit während des gesamten Kühlvorgangs, bis die Perlittransformation abgeschlossen ist, zu steuern, um die erwünschten mechanischen Eigenschaften des Gusses sicher zu stellen. Ferner wird vorgeschlagen, die Kühlgeschwindigkeit in der Phase der Perlittransformation zu erhöhen, indem die Kokille geöffnet wird, wobei die entstehende Luftkühlung die Kühlgeschwindigkeit erhöht und zu einer erhöhten Festigkeit des Gusses führt. Alternativ wird vorgeschlagen, die Kühlgeschwindigkeit durch Öffnen der Kokille zu verringern, wenn sich die Temperatur des Gusses im Austenitbereich befindet. Hierzu soll das Gussstück unmittelbar nach dem Öffnen in ein isolierendes Medium eingebettet oder mit diesem abgedeckt und in diesem Zustand gehalten werden, bis die Temperatur des Gussstückes unter die Perlit-Transformationstemperatur gefallen ist.
Die DE 10 2010 035 440 A1 schlägt vor, zur Erzielung einer besseren Steuerbarkeit der Kühlung des Gussteils zwischen der Innenwand der Kokille und der Außenwand der verlorenen Form (Sandform) wenigstens einen kühlmitteldurchströmten Raum bzw. einen spiralförmig um die Sandform angeordneten Kühlmittelkanal vorzusehen.
Diese oder eine vergleichbare Vorrichtung bestehend aus einer verlorenen Form und einer diese verlorene Form einschließenden Kokille macht sich die folgende Erfindung zu Nutze. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren zur Herstellung von Metallgüssen noch effizienter und flexibler zu gestalten.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Eisenmetallgüssen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

eine verlorene Form mit einem Hohlraum zur Aufnahme von Gussmaterial wird in eine geöffnete mehrteilige Kokille eingesetzt,
die mehrteilige Kokille wird geschlossen,
der Hohlraum der verlorenen Form wird mit Gussmaterial gefüllt, wobei eine in den Hohlraum der verlorenen Form teilweise hineinragende Tragevorrichtung teilweise mit dem Gussmaterial umgossen wird,
die verlorene Form wird nach dem Füllen in der Kokille gekühlt,
die mehrteilige Kokille wird während des Abkühlens nach dem Unterschreiten der Liquidustemperatur, vorzugsweise nach dem Unterschreiten der Solidustemperatur und besonders bevorzugt noch bevor der Guss die eutektoide Umwandlungstemperatur erreicht hat, geöffnet und die verlorene Form mit dem Guss zerstörungsfrei aus der geöffneten Kokille entnommen,
an der Tragvorrichtung hängend weiter gekühlt, mindestens bis die Gefügebildung des Gusses abgeschlossen ist,
der Guss wird durch Entfernen der verlorenen Form entformt.

Die verlorenen Formen werden aus Sand, insbesondere aus chemisch gebundenem Formsand, in üblicher Weise beispielsweise in einem Croning-, Coldbox-, Hotbox-, Furan-, oder Wasserglas- CO₂-Verfahren hergestellt und hierin nach folgend auch als Sandform oder Kernpacket bezeichnet.
Unter Eisenmetallguss werden Güsse aus allen Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen, unabhängig vom Kohlenstoffgehalt zusammengefasst, also Gusseisen und Stähle. Unter Gussmaterial im Sinne dieser Schrift wird die Schmelze des Eisenmetallgusses verstanden. Ist diese (zumindest teilweise) erstarrt, wird von Guss oder Gussteil gesprochen.
Die Kokille ist vorzugsweise eine metallische Kokille, beispielsweise aus Stahl, Gusseisen oder Messing, kann aber auch aus einem anderen Kokillenwerkstoff, wie zum Beispiel aus Graphit, bestehen.
Der grundlegende Unterschied des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Eisenmetallgüssen im Vergleich zu den bekannten Verfahren ist ein zweistufiger Abkühl- und Entformungsprozess. Ein erstes Abkühlen (erste Abkühlstufe) des Gusses mindestens bis zum Unterschreiten der Liquidustemperatur, vorzugsweise bis zum Unterschreiten der Solidustemperatur und vorzugsweise noch bevor der Guss die eutektoide Umwandlungstemperatur erreicht hat, erfolgt in der Form noch innerhalb der Kokille. Die bevorzugte Temperaturuntergrenze, bis zu der der Guss im Kern in der ersten Abküflstufe höchstens herunter gekühlt wird, kann mit 723°C angegeben werden. Hierbei kommt vorteilhafter Weise die in der DE 10 2010 035 440 A beschriebene Vorrichtung zum Einsatz. Demnach sieht das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise vor, dass die verlorene Form von einem durch eine zwischen der Innenwand der Kokille und der Außenwand der verlorenen Form angeordneten Kavität strömenden Kühlmittel gekühlt wird. Dieser Schritt wird hierin nachfolgend auch als "primäre Kühlung" bezeichnet. Das Kühlmedium ist bevorzugt Luft oder ein inertes Gas. Die Kavität kann in Form von einem oder mehreren spiralförmig um die Form verlaufend angeordneten Kühlkanälen gebildet werden. Der Kühlvorgang erfolgt vorzugsweise gesteuert oder geregelt und beginnt vorzugsweise nach dem Füllen der Form. In Ausnahmefälle kann er auch schon während der Formfüllung starten. Die Gusstemperatur der verlorenen Form wird in letzterem Fall während des Kühlens vor dem Entfernen der Kokille vorzugsweise an der Aufhängung gemessen. Dies kann berührungsfrei, beispielsweise optisch mittels Infrarotkamera, oder mittels Thermofühler geschehen. Neben einer temperaturgeregelten Kühlmittelströmung kann diese auch zeit-, massen-, und/oder modulgesteuert (also in Abhängigkeit vom Oberflächen- zu-VolumenVerhältnis, auch Erstarrungsverhältnis genannt) erfolgen, indem ein Kühlmittelbedarf für eine vorbestimmte Abkühlrate vorher (rechnerisch) ermittelt und die Kühlmittelströmung entsprechend programmiert wird.
Die gewünschten Materialeigenschaften (Festigkeit, Härte, Duktilität, etc.) werden bekanntlich durch Wahl des Kohlenstoffgehaltes, der Legierungszusammensetzung und, in Abhängigkeit von den individuellen Gefügeumwandlungstemperaturen, durch jeweils angepasste Abkühlprogramme eingestellt. Dabei spielt die Entnahme der Form-Guss-Einheit aus der Kokille eine entscheidende Rolle, die die erste Abkühlstufe während der Austenitbildung bzw. Erstarrung oder nach deren Abschluss beendet und eine zweite Abkühlstufe einleitet. Der Zeitpunkt der Entnahme ist demgemäß frühestens nach Erreichen der Liquidustemperatur. Unter Berücksichtigung eines Temperaturgefälles zu den Wandungen des Gusses hin, hat bereits eine oberflächliche Erstarrung eingesetzt, die dem Guss eine ausreichende Stabilität verleiht, während der Kern des Gusses dann noch Anteile von Schmelze enthalten kann. Vorzugsweise wartet man mit der Entnahme, bis der Guss auch im Inneren die Solidustemperatur erreicht hat, und nicht länger, als bis der Guss im Kern die eutektoide Umwandlungstemperatur erreicht hat. Die genaue Temperatur hängt jeweils von dem gewünschten Gefügezustand (Austenit, grober/ feinstreifiger Perlit, grober-feinkörniger Ferrit, etc.) und der chemischen Zusammensetzung, den Legierungselementen, insbesondere dem Kohlenstoffanteil in dem Werkstoff ab.
Die zweite Abkühlstufe wird also in Abhängigkeit vom gewünschten Gefüge und den Gussteileigenschaften frühestens dann eingeleitet, wenn der Guss zumindest teilweise erstarrt ist, also die Austenitbildung einsetzt oder vorteilhafter Weise abgeschlossen ist, und vorzugsweise bis zum Erreichen der eutektoiden Umwandlungstemperatur (723°C). Hierzu wird die Kokille geöffnet und die Form mit dem erstarrten Guss aus dieser zerstörungsfrei entnommen. Dabei bleibt die Form das Gussteil umschließend erhalten und wirkt hiernach als wärmedämmendes bzw. -regulierendes Material. Ohne weitere Maßnahmen wird so eine gleichmäßige Abkühlung über die Oberfläche des in der Form noch immer eingeschlossenen Gusses sicher gestellt, während die Form den Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist. Erst am Ende der zweiten Abkühlstufe wird der Guss entformt.
Für eine effektive und vor allem gleichmäßige Abkühlung des Gusses in der zweiten Abkühlstufe ist die Form nach der benötigten Kühlleistung auszulegen, d.h. insbesondere ist die Wandstärke der Form unter Berücksichtigung des Oberflächen-zu-Volumenverhältnisses des Gusses, der Umgebungsbedingungen und dem gewünschten Materialgefüge des Gusses auszulegen. Als Umgebungsbedingungen in diesem Sinne werden beispielsweise die thermischen Bedingungen in einem Kühlraum verstanden, dem die verlorene Form einschließlich Guss an der Tragevorrichtung hängend zugeführt und in dem sie weiter gekühlt wird. In einem solchen Kühlraum können konstante thermische Bedingungen und ein schneller Abtransport der eingetragenen Wärme durch ausreichende Umwälzung/ausreichenden Austausch des Kühlmittels, bevorzugt wiederum Luft oder ein inertes Gas, eingestellt werden. Vorzugsweise wird die Kühlung unter Temperaturüberwachung der Form und/oder des Gusses gesteuert oder geregelt. Die Gusstemperatur der verlorenen Form wird hierzu während des Kühlens nach dem Entfernen der Kokille wiederum vorzugsweise an der Aufhängung gemessen. Dies kann abermals berührungsfrei, beispielsweise optisch mittels Infrarotkamera, oder mittels Thermofühler geschehen. Die zweite Abkühlstufe ist beendet, wenn die gewünschte Zieltemperatur zur Entfernung des Abgusses aus dem Kernpaket, die Auspacktemperatur von vorzugsweise < 300°C, erreicht ist, bei der der Temperaturverlauf der weiteren Abkühlung keinen Einfluss mehr auf die Gefügeausbildung hat.
Eine entscheidende Rolle, insbesondere in der zweiten Abkühlstufe, spielt das freie Aufhängen der Form samt Gussteil an der Tragevorrichtung. Dieses verringert zum einen die Gefahr, die verlorene Form beim Entnehmen aus der Kokille zu beschädigen. Eine Beschädigung würde den Guss partiell oder vollständig der Umgebung aussetzen und eine unkontrollierte Gefügeausbildung zur Folgen haben können. Zum anderen ermöglicht das Aufhängen im Gegensatz zum liegenden Transport, dass die Form von allen Seiten gleichmäßig von Kühlmittel umspült werden kann, und erhöht somit die Effizienz und Gleichmäßigkeit der Kühlung.
Vorzugsweise wird die Tragevorrichtung zusammen mit einer Speiserkappe in die verlorene Form eingesetzt, bevor diese in die geöffnete Kokille eingesetzt wird. Eine solche Speiserkappe mit Aufhängevorrichtung ist beispielsweise aus der Schrift DE 10 2010 051 348 A bekannt.
Die Kokille kann unmittelbar nach der Entnahme der Form für den nächsten Gießvorgang vorbereitet, d.h. unter anderem mit der nächsten verlorenen Form bestückt werden. Das Verfahren ist deshalb sehr effizient und kostengünstig, weil bei gleichem Durchsatz eine geringere Anzahl von Kokillen benötigt wird. Auch ist das Verfahren sehr flexibel und wiederum kostengünstig, weil mit derselben Kokille durch Verwendung unterschiedlicher verlorener Formen unterschiedliche Gusserzeugnisse hergestellt werden können. Die Gießerei muss also keine Vielzahl unterschiedlicher Kokillen vorhalten. Am vielseitigsten ist hierfür eine zylindrische Kokillenform.
Weiterhin vorteilhaft ist es, dass der Hohlraum der verlorenen Form von unten aufsteigend mit Schmelze gefüllt wird. Besonders bevorzugt hierbei ist die Anwendung des Niederdruckgussverfahrens.
Nach dem Füllen der Form von unten kann diese vorteilhafter Weise mittels eines Absperrschiebers verschlossen werden.
Dies ermöglicht, dass die Kokille mit der Form und dem Guss nach dem Füllen von der Füllstation entnommen werden kann, so dass die Füllstation für das Füllen der nächsten Form/Kokille schon wieder bereitsteht.
Besonders bevorzugt setzt das Kühlen der verlorenen Form unmittelbar nach dem Verschließen derselben mittels Absperrschieber ein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass während des Füllens des Hohlraumes der verlorenen Form mit Gussmaterial Gießgase durch eine zwischen der Innenwand der Kokille und der Außenwand der verlorenen Form angeordnete Kavität abgesaugt werden.
Die Kavität für die primäre Kühlung und die Kavität zum Absaugen der Gießgase ist bevorzugt dieselbe. Die Kavität hat somit bevorzugt eine Doppelfunktion, als Abgasleitung während des Gießens und als Kühlmittelzu- und abführung zum Guss bzw. zur verlorenen Form während der ersten Abkühlstufe des Gusses. Dabei ist von Vorteil, dass die Kavität einfach an ein geschlossenes Abluftsystem angeschlossen werden kann, das die Abgase gezielt entsorgt, bevor sie in die Umgebung gelangen können. Großdimensionierte Ablufthauben und entsprechend Leitungssysteme, die viel Nebenluft umwälzen, können so vermieden werden.
Vorzugsweise wird zusätzlich zu der primären Kühlung der verlorenen Form auch die Kokille, d.h. die Kokillenwände, nach dem Füllen direkt gekühlt ("sekundäre Kühlung"). Dies erfolgt in eigens dafür in der Kokillenwand vorgesehenen Kühlleitungen, die ebenfalls mit Kühlmittel durchströmt werden.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die verlorene Form beim Einsetzen in die geöffnete mehrteilige Kokille mittels Unterdruck in der Kokille gehalten wird.
Besonders bevorzugt weisen die verlorene Form und die Kokille Passelemente auf, die beim Einsetzen der verlorenen Form in die geöffnete mehrteilige Kokille ineinander gefügt werden und so eine definierte Lage der Form in der Kokille sicherstellen. Die zusammenwirkenden Passelemente werden deshalb auch als Kernlager bezeichnet. Die Passelemente und die Unterdruckhalterung lassen sich dabei kombinieren, wie nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert wird.
Es zeigen:

Figur 1: eine erste Ausführungsform einer verlorenen Form während des Einsetzens derselben in die Kokille;
Figur 2: eine Illustration des Füllschrittes anhand einer zweiten Ausführungsform der kombinierten verlorenen Form mit Kokille;
Figur 3: eine Illustration der primären Kühlung der kombinierten verlorenen Form mit Kokille;
Figur 4: eine Illustration des Öffnens der kombinierten verlorenen Form mit Kokille;
Figur 5: eine dritte Ausführungsform einer kombinierten verlorenen Form mit Kokille zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Figur 6: eine vierte Ausführungsform einer kombinierten verlorenen Form mit Kokille zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Figur 7: eine fünfte Ausführungsform einer kombinierten verlorenen Form mit Kokille zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren und
Figur 8: eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einer weitgehend automatisierten Gießlange.

In Figur 1 ist eine verlorene Form 10 mit einem Hohlraum 12 zur Aufnahme von Gussmaterial gezeigt. Der Hohlraum 12 weist eine Innenfläche auf, die die Außenkontur des zu erzeugenden Gussteils abbildet. Die verlorene Form 10 besteht aus einem vorzugsweise chemisch gebundenen Formsand, der eine eigenstabile Struktur bildet.
In der Form 10 ist eine Tragevorrichtung 14 mittels zweier erster Ankerelemente 16 fixiert. Die Tragevorrichtung ist so bereits ausreichend mit der Form 10 verbunden, um deren Eigengewicht zu tragen. Die Tragevorrichtung weist ferner ein zweites Ankerelement 18 auf, welches durch die Wand der Form 10 hindurch bis in den Hohlraum 12 hineinragt, um dort später teilweise mit dem Gussmaterial umgossen zu werden.
Das spätere Füllen des Hohlraums 12 in der verlorenen Form 10 erfolgt in üblicher Weise durch einen oder mehrere Anschnitte 20, der oder die bevorzugt von unten in den Hohlraum 12 münden, so dass der Hohlraum 12 der verlorenen Form von unten aufsteigend mit Gussmaterial, besonders bevorzugt im Niederdruckgussverfahren gefüllt werden kann.
Die verlorene Form 10 wird vor dem Füllen mit Gussmaterial in der in Figur 1 gezeigten Weise zunächst in einen ersten Teil, hier in eine erste Hälfte 22, einer geöffneten mehrteiligen Kokille eingesetzt, bevor die Kokille geschlossen wird, indem deren zweite Hälfte 24 mit der ersten Hälfte 22 zusammengesetzt wird. Damit die verlorene Form 10 passgenau zunächst in der ersten Hälfte 22 der Kokille und nach dem Schließen der Kokille auch in der zweiten Hälfte 24 der Kokille aufgenommen wird, besitzen sowohl die verlorene Form 10 als auch die Hälften der Kokille 22, 24 Passelemente 26 bzw. 28, die komplementär zueinander ausgebildet sind. Die Passelemente der verlorenen Form 10 sind in Form von mehreren umfänglich von einer Außenwand 30 der Form 10 vorspringenden Nasen 26 ausgebildet. Die Kokillenhälften 22, 24 weisen hierzu jeweils komplementäre Ausnehmungen 28 in ihren Innenwänden 32 auf. Die zusammenwirkenden Passelemente 26 und 28 bilden die sogenannten Kernlager 34.
Die Kokillenhälften 22, 24 weisen weiterhin Verbindungskanäle 36 zwischen den Ausnehmungen 28 einerseits und einer Außenseite 38 der Kokillenhälften 22 und 24 auf. An die Verbindungskanäle 32 kann auf der Außenseite 34 eine Saugleitung (nicht gezeigt) angeschlossen werden, so dass zwischen der Innenwand 32 und der Außenwand 30 ein Unterdruck erzeugt werden kann. Die Form 10 wird dadurch mit ihren Vorsprünge 26 in die Ausnehmung 28 der Kokillenhälfte 22 hineingesogen und durch den anhaltenden Unterdruck in dieser gehalten, bis die Kokille geschlossen ist. Danach wird der Unterdruck nicht mehr benötigt und die Saugleitung kann entfernt bzw. der Unterdruck deaktiviert werden.
Selbstverständlich kann die Verbindung 32 auch an einer anderen Stelle der Grenzfläche zwischen der verlorenen Form 10 und der mehrteiligen Kokille angreifen, so dass die Passelemente und die Verbindungskanäle zur Unterdruckfixierung räumlich voneinander getrennt sind. In der gezeigten Weise jedoch sind die Passelemente und die Mittel zur Unterdruckfixierung in vorteilhafter Weise kombiniert.
Zwischen der Innenwand 32 der Kokille und der Außenwand 30 der verlorenen Form 10 ist eine Kavität 40 angeordnet, die als Leitung für ein Kühlmedium zum Kühlen der verlorenen Form, also der primären Kühlung dient. Die Kavität 40 als umfänglich geschlossene Kühlmittelleitung wird erst beim Zusammenfügen der verlorenen Form 10 und der Kokille gebildet, weil sie zur Hälfte in der Außenwand 30 in der Form jeweils eines offenen spiral- oder schneckenförmigen Kanals 42 bzw. 44 ausgebildet ist. Anstelle einer umlaufenden Kavität können auch mehrere Kavitäten vorgesehen sein. Auch muss diese nicht spiral- oder schneckenförmig um die verlorene Form 10 umlaufend angeordnet sein sondern kann beispielsweise auch meanderförmig oder sich mehrfach gitterförmig kreuzend ausgestaltet werden. Die Kavität 40 weist wenigstens zwei Verbindungskanäle 46 und 48 zur Außenseite der Kokille auf, so dass diese an ein Kreislaufsystem oder ein Zuführsystem für ein Kühlmedium angeschlossen werden kann.
Als Mittel für eine sekundäre Kühlung der Kokillenwände ist eine weiteres Leitungssystem 50 in den Kokillenwänden vorgesehen, das seinerseits durch nicht gezeigte Anschlüsse nach außen geführt ist und an ein Kreislauf- oder Zuführsystem für ein weiteres Kühlmedium angeschlossen werden kann.
In Figur 2 ist der Verfahrensschritt des Füllens des Hohlraums 12 der verlorenen Form 10 mit Gussmaterial 54 dargestellt. Das Gussmaterial 54 wird von unten durch den Anschnitt 20 in den Hohlraum 12 der verlorenen Form 10 eingebracht, nachdem die Kokille durch Zusammenfügen der Kokillenhälften 22 und 24 geschlossen wurde. Gleichzeitig mit dem Füllen werden Gießgase in dem Hohlraum 12 durch die poröse Struktur der Sandform 10 hindurch in die Kavität 40 zwischen der Innenwand der Kokille und der Außenwand der Sandform 10 und aus dieser durch den Verbindungskanal 48 aus der Kokille herausgeführt. Hier ist nur exemplarisch der Verbindungskanal 48 als Abluftkanal gekennzeichnet. Der Verbindungskanal 46 wird in diesem Fall beispielsweise mittels eines Stopfens oder eines Ventils (beides nicht gezeigt) verschlossen gehalten. Das Gießgas kann jedoch auch umgekehrt über den Verbindungskanal 46 abgesaugt werden oder gleichzeitig über beide Verbindungskanäle 46 und 48.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform weist die verlorene Form 10 über dem Hohlraum 12 für das Gussteil einen weiteren Hohlraum auf, in den zuvor eine Speiserkappe 52 eingesetzt wurde, wie dies in der Schrift DE 10 2010 051 348 A beschrieben ist. Die Speiserkappe 52 dient zur Aufnahme von Gussmaterial 54 und weist wärmeisolierende und/oder exotherme Eigenschaften auf, um das eingeschlossene Gussmaterial länger flüssig zu halten, während es bereits im Hohlraum 12 zu erstarren beginnt. Der aufgrund der Erstarrung einsetzende Volumenschwund des Gussmaterials 54 wird so mit der wärmeren und niederviskoseren Schmelze in der Speiserkappe 52 ausgeglichen.
Aufgrund der Verwendung einer Speiserkappe 52 ist in diesem Beispiel auch die Tragevorrichtung 14 anders ausgestaltet. Diese weist ein in den Hohlraum der Speiserkappe 52 eingreifendes Ankerelement 18 auf, welches ausreichend fest mit der Speiserkappe und/oder der Form 10 verbunden ist, um deren Eigengewicht tragen zu können. Nachdem das eingebrachte Gussmaterial 54 um das Ankerelement 18 herum erstarrt ist, wird die Last auch oder sogar überwiegend durch die so entstandene Verbindung getragen und das Gussteil kann samt Form 10 an der Tragevorrichtung gehalten werden.
Am Ende des in Figur 2 gezeigten Füllschrittes wird der Anschnitt 20 mittels eines Sperrschiebers 55 verschlossen, so dass die Kokille mit der verlorenen Form von der Füllstation entnommen werden kann.
In Figur 3 ist der Verfahrensschritt des Kühlens der verlorenen Form 10 in der Kokille nach dem Füllen, also die primäre Kühlung illustriert. Dieser Schritt beginnt vorzugsweise nach dem Verschließen der verlorenen Form 10 mittels Absperrschieber 55, damit die Erstarrung des Gussmaterials nicht bereits während des Füllens einsetzt. Zum Zweck des Kühlens wird ein Kühlmedium durch den zuvor beschriebenen Verbindungskanal 46 in die Kavität 40 eingeleitet und durch den Verbindungskanal 48 aus dieser wieder herausgeleitet, womit Wärme aus der verlorenen Form 10 abtransportiert wird. Damit die Kavität 40 auf einfache Weise die Doppelfunktion als Abgasleitung während des in Figur 2 illustrierten Gießens und als Zu- und Ableitung eines Kühlmediums während des in Figur 3 illustrierten primären Kühlschrittes fungieren kann, ist in den Zuleitungen (nicht gezeigt) zu den Verbindungen 46 und 48 vorzugsweise jeweils ein Ventil vorgesehen. Die Zuleitungen können damit wahlweise entweder verschlossen, an Kühlmittelleitungen oder an Abgasleitungen angeschlossen werden. Die primäre Kühlung wird solange durchgeführt, bis der Guss zumindest teilweise erstarrt ist und das Gussteil 56 eine stabile Struktur aufweist. In Abhängigkeit von dem angestrebten Gefügezustand des zu fertigenden Produktes kann die Primärkühlung und somit die erste Abkühlstufe auch länger erfolgen. Grundsätzlich ist es aus Effizientgründen sinnvoll die primäre Kühlung mit der Entnahme der Form-Guss-Einheit aus der Kokille und damit unmittlebar mit der Beendigung der ersten Kühlstufe zu abzuschalten.
In Figur 4 ist der sich an die primäre Kühlung anschließende Schritt des Öffnens der Kokille illustriert. Hierbei werden die beiden Hälften 22 und 24 der Kokille voneinander weg bewegt, während die verlorene Form 10 an der Tragevorrichtung 14 hängend gehalten wird. Die Tragevorrichtung 14 entspricht in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der in Figur 1 gezeigten. Weil der Guss zu diesem Zeitpunkt bereits zumindest teilweise, insbesondere an der Oberfläche, erstarrt ist, hat er eine Eigenstabilität, sodass die Last der Form und des Gusses sowohl über die Verbindung der Tragevorrichtung 14 zu der Form 10 als auch zu dem Gussteil 56 getragen wird.
Auf diese Weise wird die Form zerstörungsfrei aus der Kokille entnommen und der zweiten Abkühlstufe zugeführt. Wie vorstehend beschrieben, wird die Form 10 so beispielsweise in einen Kühlraum transportiert, indem sie unter geregelten oder zumindest gesteuerten thermischen Bedingungen in gewünschter Weise weiter heruntergekühlt wird, bis die Gusstemperatur, vorzugsweise an der Tragevorrichtung 14 gemessen, den voreingestellten Wert erreicht hat, was vorzugsweise dann der Fall ist, wenn die gewünschte Auspacktemperatur von beispielsweise 300°C erreicht oder unterschritten wurde und die weitere Abkühlung keinen Einfluss mehr auf das Gefüge und die Gussteileigenschaften hat.
Figur 5 zeigt die kombinierte verlorene Form 10 mit Kokille mit einer alternativen Ausgestaltung der Tragevorrichtung 14. Diese ist im Vergleich mit den beiden vorstehend beschriebenen Tragevorrichtungen dahingehend vereinfacht, dass sie nur ein einzelnes Ankerelement 18 aufweist, welches durch die verlorene Form 10 hindurch bis in das Gussteil 56 hineinragt. Das Ankerelement 18 kann so ausgebildet sein, dass es nicht geeignet ist, die Form 10 ohne Gussteil zu tragen, so dass diese auf andere Weise beim Einsetzen in die Kokille zu handhaben sein wird. Alternativ können nicht gezeigte Strukturen (Haken oder dergleichen) entlang der Oberfläche des Verankerungselementes 18 vorgesehen sein, die eine ausreichende Verbindung mit der Sandform 10 herstellen, um der Zugbeanspruchung beim Anheben und Transportieren der leeren Sandform 10 an der Tragevorrichtung 14 standzuhalten. Das untere Ende des Ankerelementes 18 ragt ansonsten in der bereits zuvor beschriebenen Weise in den Hohlraum der Sandform 10 hinein, so dass es nach dem Erstarren des Gusses in der hier gezeigten Weise mit dem Gussteil 56 verbunden ist und mittels dieser Verbindung geeignet ist, die Sandform 10 samt Gussteil 56 zu tragen.
Figur 6 zeigt eine nochmals hinsichtlich der Tragevorrichtung 14 geänderte Ausführungsform einer kombinierten verlorenen Form 10 mit Kokille. Diese Ausführungsform kombiniert die zwei ersten Ankerelemente 16, die gemäß der ersten Ausführungsform in Figur 1 in die Sandform 10 hineinreichen, mit einem zweiten, durch die Sandform 10 hindurchgreifenden Ankerelement 18, dass gemäß der zweiten Ausführungsform in Figur 2 in das Gussteil 56 hineinreicht und wonach eine Speiserkappe 52 vorgesehen ist, die in die Sandform 10 integriert ist und einen Hohlraum für das Gussmaterial bereitstellt.
Figur 7 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer kombinierten verlorenen Form 10 mit Kokille, welche sich beispielsweise von der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform durch zusätzliche Sacklochbohrungen 58 in der Sandform 10 unterscheidet. Die Sacklochbohrung 58 in der Form 10 mündet in einen Abschnitt der Kavität 40 und erweitert somit deren Volumen zur Aufnahme eines Kühlmediums. Die Anordnung der Sacklochbohrungen 58 korrespondiert mit Abschnitten der Sandform 10, die eine größere Wandstärke aufweisen, um das Kühlmittel an diesen Stellen näher an die Oberfläche des Gussteils 56 bzw. vor der Erstarrung an die Grenzfläche des Gussmaterials zur Form 10 heranzubringen. Durch diese Maßnahme kann bei unterschiedlichen Wandstärken der Form 10 eine gleichmäßigere Abkühlung der Oberfläche des Gusses oder bei Bedarf aber auch eine gezielt beschleunigte Abkühlung des Gusses an ausgesuchten Abschnitten der Oberfläche erzielt werden. Anstelle der Sacklochbohrungen können auch Durchgangsbohrungen und/oder Kanäle vorgesehen sein, die den Wärmeaustausch bzw. den Kühlvorgang an den entsprechenden Stellen nochmals beschleunigen oder eine präzisere Regelung erlauben. Insbesondere sind so eine gezielte Kühlung größerer lokaler Massen (thermische Zentren) und/oder eine lokale Gefügeoptimierung möglich.
Anhand des Ablaufschemas in Figur 8 soll das erfindungsgemäße Verfahren einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erläutert werden. Das Verfahren umfasst weitere Verfahrensschritte, die dem eigentlichen Gießverfahren vorangestellt bzw. nachgeschaltet sind. Es beginnt mit einem Kernfertigungsschritt 100, in dem die verlorene Form beispielsweise in einem Cold-Box-Verfahren, einem Hot-Box-Verfahren, einem Croning-Verfahren, einem Furanharz-Verfahren oder einem Wasserglas-CO₂-Verfahren als vorzugsweise chemisch gebundene Sandform hergestellt wird. Dieser Schritt 100 erfolgt bevorzugt unter optischer Überwachung und computergesteuert.
Ist die Sandform hergestellt, wird sie manuell, teilautomatisch oder vorzugsweise mittels einem Roboter R1 vollautomatisch an die nächste Station übergeben. An dieser findet die sogenannte Kernpaketmontage 102 statt. Hierbei werden mehrere Teilformen zu dem Kernpaket, der verlorenen Form, wie Sie für den Guss benötigt wird, zusammengesetzt. Dieser Schritt kann je nach Entformbarkeit und Anforderung an die Oberflächengüte des Gussteils bei Bedarf durch ein zusätzliches Kernschlichten, z.B. mittels Sprühroboter, ergänzt werden.
Auf die Kernpaketmontage 102 folgt optional das Lagern 104 des Kernpaketes. Es steht im Lager auf Abruf bereit. Je nach Stückzahl, Prozessgeschwindigkeit, Kernfertigungsgegebenheiten und Produktions-Prozesserfordernissen wird üblicherweise eine bestimmte Anzahl von Kernpaketen vorgehalten oder es kann eine just-in-time-Produktion bei optimalen Kernproduktionsgegebenheiten ohne Lagerhaltung vorgesehen sein, wenn deren Herstellung genauso schnell oder schneller als die im Folgenden beschriebenen Arbeitsschritte gelingt.
Aus dem Kernlager wird das Kernpaket bei Bedarf entnommen und dem nächsten Prozessschritt 106 zugeführt. Das Entnehmen und Zuführen wird abermals vorzugsweise vollautomatisiert durch einen Roboter R2 erfolgen.
Zentrales Modul zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine sogenannte Fertigungsinsel I1, auch als "Karussell" bezeichnet, auf der wenigstens 5, hier 6 der erfindungswesentlichen Verfahrensschritte ausgeführt werden. Als erster Arbeitsschritt 106 wird an einer ersten Arbeitsstation der Fertigungsinsel I1 das Kernpaket in eine geöffnete, mehrteilige Kokille eingesetzt und diese verschlossen. Dies geschieht vorzugsweise in der zuvor unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Weise.
Ist die mehrteilige Kokille geschlossen, wechselt die Arbeitsstation und in einem Arbeitsschritt 108 wird der Hohlraum der verlorenen Form mit Gussmaterial, vorzugsweise im Niederdruck-Gießverfahren gefüllt. Ist das Füllen beendet, wird die verlorene Form mittels einem Absperrschiebers verschlossen und kann danach dem nächsten Arbeitsschritt 110 zugeführt werden. Hierzu wechselt die Kokille erneut zur nächsten Arbeitsstation, an der der ersten Abkühlschritt, also das primäre Kühlen der Form, und wahlweise gleichzeitig oder nacheinander das sekundäre Kühlen der Kokille einsetzen. Hierzu wird die Kokille, bzw. genauer die zuvor beschriebenen Verbindungskanäle 46 und 48 an ein Kühlmittelsystem, vorzugsweise an einen Kühlmittelkreislauf, angeschlossen. Ferner kann auch das zuvor beschriebene Leitungssystem 50 in den Kokillenwänden an ein Kühlmittelsystem, vorzugsweise einem Kühlmittelkreislauf, angeschlossen werden und das oder die Kühlmittelsysteme in Gang gesetzt werden. Die Kühlvorgänge dieses Arbeitsschrittes 110 erfolgen besonders bevorzugt geregelt unter Überwachung der Guss- oder Kokillentemperatur. Diese kann wiederum bevorzugt an der zuvor beschriebenen Tragevorrichtung gemessen werden.
Das Abkühlen erfolgt bei dieser Ausführungsform über insgesamt drei Arbeitsstationen, also auch in den Arbeitsschritten 112 und 114. Während des gesamten primären Kühlvorgangs bewegt sich die Fertigungsinsel I1 also zwei Arbeitspositionen weiter, so dass die vorausgegangenen Arbeitsstationen zwischenzeitlich wieder zur Ausführung der Arbeitsschritte 106 und 108 zur Verfügung stehen. Das Verhältnis der Dauer für das Einlegen der Form 10 in die Kokille in Schritt 106 und das Füllen in Schritt 108 zur Dauer des primären Kühlvorgangs (ggfs. mit Kühlung der Kokille) bestimmt die Anzahl der für die Kühlung reservierten Arbeitsstationen.
An der letzten Arbeitsstation der Fertigungsinsel wird die Kokille mit der abgekühlten verlorenen Form 10 dem Arbeitsschritt 116 unterzogen, bei dem die mehrteilige Kokille geöffnet wird, frühestens nachdem der Guss, wie vorstehend beschrieben, zumindest teilweise erstarrt ist. Gleichzeitig wird die verlorene Form an der Tragevorrichtung hängend in der oben beschriebenen Weise aus der geöffneten Kokille entnommen. Dies geschieht abermals vorzugsweise mittels eines Roboters R3 vollautomatisiert, um eine zerstörungsfreie Entnahme der verlorenen Form sicherzustellen.
Der Roboter R3 übergibt die verlorene Form dann an eine Kühlstrecke, in der sie noch immer an der Tragevorrichtung hängend weiter gekühlt wird, Schritt 118.
Hat der in der verlorenen Form eingeschlossene Guss mit dem gewünschten Gefüge schließlich die Auspacktemperatur von beispielsweise 300°C erreicht, erfolgt im Anschluss Schritt 120, in dem der Guss schließlich durch mechanisches Entfernen der verlorenen Form entformt wird. Dieser Schritt wird auch als "Ausleeren" oder "Grobentsandung" bezeichnet.
Hierauf erfolgt ein Strahlen 122, um den Guss von Sandresten zu befreien. Ist dieser Prozessschritt abgeschlossen, wird die Gussform, vorzugsweise mittels eines weiteren Roboters R4 voll automatisiert, einer Trennstation zugeführt, die als nächsten Schritt die Abtrennung 124 des Speisers und/oder der Tragevorrichtung umfasst. Hieran schließen sich in an sich bekannter Weise die Endkontrolle 126 sowie die Übergabe 128 an den Versand oder das Teilelager an.

Bezugszeichenliste

10: verlorene Form, Kernpaket
12: Hohlraum
14: Tragevorrichtung
16: erste Ankerelemente
18: zweites Ankerelement

20: Anschnitt
22: erste Kokillenhälfte
24: zweite Kokillenhälfte
26: Passelement, Nase
28: Passelement, Ausnehmung

30: Außenwand der Form
32: Innenwand der Kokille
34: Kernlager
36: Verbindungskanal
38: Außenseite der Kokille

40: Kavität
42: spiral- oder schneckenförmiger Kanal
44: spiral- oder schneckenförmiger Kanal
46: Verbindungskanal
48: Verbindungskanal

50: Leitungssystem
52: Speiserkappe
54: Gussmaterial
55: Sperrschieber
56: Guss oder Gussteil
58: Sacklochbohrung

100: Kernfertigung
102: Kernpaketmontage
104: Kernlager
106: Einsetzen der verlorenen Form und Schließen der Kokille
108: Füllen

110: Kühlen
112: Kühlen
114: Kühlen
116: Öffnen der Kokille und Entnehmen der geöffneten Form
118: Kühlen der verlorenen Form

120: Entformen des Gussteils
122: Strahlen
124: Abtrennen der Tragevorrichtung
126: Endkontrolle
128: Lagern oder Versenden

Claims

Verfahren zur Herstellung von Eisenmetallgüssen, bei dem
- eine verlorene Form (10) mit einem Hohlraum (12) zur Aufnahme von Gussmaterial (54) in eine geöffnete mehrteilige Kokille (22, 24) eingesetzt wird (Schritt 106),

- die mehrteilige Kokille (22, 24) geschlossen wird (Schritt 106),

- der Hohlraum (12) der verlorenen Form mit Gussmaterial (54) gefüllt wird, wobei eine in den Hohlraum (12) der verlorenen Form (10) teilweise hineinragende Tragevorrichtung (14) teilweise mit dem Gussmaterial (54) umgossen wird (Schritt 108),

- die verlorene Form (10) nach dem Füllen in der Kokille (22, 24) gekühlt wird (Schritte 110, 112, 114),

- die mehrteilige Kokille (22, 24) während des Abkühlens frühestens nach dem Unterschreiten der Liquidustemperatur, vorzugsweise nach dem Unterschreiten der Solidustemperatur und besonders bevorzugt noch bevor der Guss die eutektoide Umwandlungstemperatur erreicht hat, geöffnet und die verlorene Form (10) mit dem Guss zerstörungsfrei aus der geöffneten Kokille entnommen wird (Schritt 116),

- die verlorene Form (10) mit dem Guss an der Tragevorrichtung (14) hängend weiter gekühlt wird, mindestens bis die Gefügebildung des Gusses abgeschlossen ist (Schritt 118),

- der Guss durch Entfernen der verlorenen Form (10) entformt wird (Schritt 120).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Tragevorrichtung (14) zusammen mit einer Speiserkappe (52) in die verlorene Form (10) eingesetzt wird, bevor diese in die geöffnete Kokille eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Hohlraum (12) der verlorenen Form (10) von unten aufsteigend mit Gussmaterial (54) gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der Hohlraum (12) der verlorenen Form (10) im Niederdruck-Gießverfahren gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die verlorene Form (10) nach dem Füllen mit Gussmaterial (54) mittels eines Absperrschiebers verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kokille mit verlorener Form (10) und Guss nach dem Verschließen von der Gussstation abtransportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
dass das Kühlen der verlorenen Form (10) nach dem Verschließen der verlorenen Form einsetzt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die verlorene Form (10) von einem durch eine zwischen der Innenwand der Kokille (32) und der Außenwand der verlorenen Form (30) angeordnete Kavität (40) strömenden Kühlmedium gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühlmittelströmung temperaturgeregelt und/oder massen-, zeit- und/oder modulgesteuert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die verlorene Form (10) und Guss (56) an der Tragevorrichtung (14) hängend einem Kühlraum zugeführt und darin, wahlweise unter Temperaturüberwachung gesteuert oder geregelt, weiter gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gusstemperatur während des Kühlens der verlorenen Form (10) vor und/oder nach dem Entfernen der Kokille (22, 24) an der Tragevorrichtung (14) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass während des Füllens (108) des Hohlraumes (12) der verlorenen Form (10) mit Gussmaterial (54) Gießgase durch eine zwischen der Innenwand (32) der Kokille (22, 24) und der Außenwand der verlorenen Form (30) angeordnete Kavität (40) abgesaugt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kokille (22, 24) nach dem Füllen (108) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die verlorene Form (10) beim Einsetzen in die geöffnete mehrteilige Kokille (22, 24) mittels Unterdruck in der Kokille gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die verlorene Form (10) und die Kokille Passelemente (26, 28) aufweisen, die beim Einsetzen der verlorenen Form (10) in die geöffnete mehrteilige Kokille (22, 24) ineinander gefügt werden.