EP3852954A1 - GIEßFORM ZUM GIEßEN VON BAUTEILEN SOWIE VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG - Google Patents

GIEßFORM ZUM GIEßEN VON BAUTEILEN SOWIE VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG

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Publication number
EP3852954A1
EP3852954A1 EP19774076.4A EP19774076A EP3852954A1 EP 3852954 A1 EP3852954 A1 EP 3852954A1 EP 19774076 A EP19774076 A EP 19774076A EP 3852954 A1 EP3852954 A1 EP 3852954A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ceramic
mold
casting
casting mold
inserts
Prior art date
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Pending
Application number
EP19774076.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz-Josef Wöstmann
Lukas Stumm
Christian Soltmann
Matthias Busse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3852954A1 publication Critical patent/EP3852954A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
    • B22C9/061—Materials which make up the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B22C1/02—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/101—Permanent cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/22—Dies; Die plates; Die supports; Cooling equipment for dies; Accessories for loosening and ejecting castings from dies
    • B22D17/2209—Selection of die materials

Definitions

  • the present invention relates to a casting mold for casting components.
  • the casting mold comprises at least one casting mold frame made of metal and / or of an alloy and one or more ceramic casting mold inserts introduced into the at least one casting mold frame.
  • the casting mold insert or the casting mold inserts has / have the negative contour or a part of the negative contour of a component to be manufactured or the combination of a component to be manufactured with one or more casting cores.
  • the present invention also relates to a method for
  • the shaping in metallic permanent molds with low pressure casting and die casting offers economical processes for the production of castings.
  • the demands placed on the metal molds or Kokil len are high.
  • Casting metals with a high melting point leads to one high thermal stress on the mold, also with the risk of selective welding or alloying between the melt material and the mold.
  • die casting there are the additional stresses caused by the high pressure and speed of the melt. Due to the high tool costs, a long service life is necessary for economical production. Areas in the mold that are overloaded locally can lead to premature failure.
  • the melting furnace, riser pipe and mold allow the metal melt to solidify in a directional manner.
  • the high cooling speeds in metal molds enable a fine-grained and dense structure. Due to the high tool costs, a long service life is necessary for economical production. Rapid cooling and the casting of metals with a high melting point (e.g. copper-containing alloys) leads to a high thermal load on the mold, also with the risk of spot welding or alloying between the melt material and the mold. This reduces the number of possible castings until the wear limit is reached. Applying a size protects the cast parts from sticking to the mold wall. Frequent renewal of the coating leads to lower productivity.
  • a high melting point e.g. copper-containing alloys
  • Sizes can protect molds from premature wear. Sizes can be applied to the surface of the mold as a liquid or as a powder. Finishing based on graphite,
  • Molybdenum disulfite or boron nitride are common release agents.
  • the coatings are sometimes not very abrasion-resistant, which creates the risk that imperfections in the coating enable a reaction between the melt and the metal of the mold. Finishing can also lead to surface defects on the casting. The heat transport between the melt and the mold can be disturbed by inhomogeneous coatings and increase the scrap on castings. Previous solution strategies have been based on improving coating compositions and coating processes.
  • the object of the present invention was a casting Specify form for casting components, which is less susceptible to wear and is therefore more durable.
  • the casting mold comprises at least one casting mold frame (or a casting mold slide) made of metal and / or of a (metal) alloy as well as a ceramic casting mold insert introduced into the casting mold frame (or the casting mold slide) or several into the at least one casting mold frame (or the casting mold slide) ) inserted ceramic mold inserts.
  • the casting mold insert or the casting mold inserts have / have the negative contour or a part of the negative contour of a component to be produced (with the casting mold) or the casting mold insert or the casting mold inserts has / have the combination of a component to be produced (with the casting mold) with one or more casting cores.
  • the ceramic mold insert or ceramic mold inserts have a high wear resistance and durability.
  • the mold according to the invention is less susceptible to wear and is therefore more durable.
  • the number of possible casts is increased compared to conventional molds or casting molds.
  • one or more ceramic mold inserts can be introduced, which represent the component to be manufactured with or without an additional core.
  • the ceramic mold inserts can be constructed in such a way that the use of release agents can be reduced.
  • the material can be selected so that the solidification of the component to be cast takes place in a directed manner.
  • the geometry of the ceramic mold inserts can be chosen so that the production is as possible is simplified and the component is given the desired contour using cores, if necessary.
  • inserts made of Si-SiC with high thermal conductivity 100-160 W / mK and 4-4.8 ⁇ e 6 / K WAK) or AIN (180-220 W / mK and 4.5-5, 6 ⁇ E-6 / K WAK) can be used.
  • a slow cooling rate can be obtained using inserts made of silicon nitride or SiAION (4-50 W / mK and 2.1-3 ⁇ e-6 / K WAK).
  • the die of the mold can be formed entirely from the ceramic insert, or can only be used partially in particularly critical areas of the metal mold.
  • the ceramic inserts can be used in areas with a slow cooling rate in a die-casting mold to control the solidification or to protect against wear in particularly heavily used areas.
  • the ability to influence the heat transfer during casting can increase the quality of the cast parts. Areas of a metal mold that are particularly exposed can be reinforced by a ceramic insert and thus used for longer. The effort with regard to the application of sizes can be reduced and the productivity increased.
  • a preferred embodiment of the casting mold according to the invention is characterized in that the ceramic casting mold insert or the ceramic casting mold inserts contain / contain or consist of a material which is selected from the group consisting of AIN (aluminum nitride), SiAION (silicon Aluminum oxide nitride), SiN (silicon nitride), SiSiC (silicon infiltrated silicon carbide), SiC (silicon carbide), zirconium oxide (Zr0 2 , zirconium oxide), aluminum oxide (Al 2 0 3 ), ATI (aluminum titanate) and mixtures thereof.
  • AIN aluminum nitride
  • SiAION silicon Aluminum oxide nitride
  • SiN silicon nitride
  • SiSiC silicon infiltrated silicon carbide
  • SiC silicon carbide
  • zirconium oxide Zr0 2 , zirconium oxide
  • aluminum oxide Al 2 0 3
  • ATI aluminum titanate
  • a further preferred embodiment is characterized in that the ceramic mold insert or ceramic mold inserts contain / contain or consist of a material which has a thermal conductivity of 1.5 to 50 W / mK and / or a coefficient of thermal expansion of 0, 5 to 3.5 ⁇ e 6 / K.
  • the material of the mold insert or mold inserts is preferably selected from the group consisting of SiN, SiAION, ATI (aluminum titanate), and mixtures thereof.
  • the thermal conductivity can be determined, for example, in accordance with ASTM E1461-13. All other thermal conductivity values specified in this patent application can also be determined in this way.
  • the coefficient of thermal expansion can e.g. are determined according to DIN 51045. All other thermal expansion coefficients specified in this patent application can also be determined in this way.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the ceramic mold insert or ceramic mold inserts contain / contain or consist of a material which has a thermal conductivity of 100 to 220 W / mK and / or a coefficient of thermal expansion of 4, 0 to 5.6 ⁇ e 6 / K.
  • the material of the mold insert or mold inserts is preferably selected from the group consisting of AIN, SiSiC and mixtures thereof.
  • the ceramic mold insert or ceramic mold inserts can be any ceramic mold insert or ceramic mold inserts.
  • the ceramic mold insert or ceramic mold inserts can be any ceramic mold insert or ceramic mold inserts.
  • the mold insert or mold inserts preferably SiSiC is, and / or
  • the material of the mold insert or mold inserts preferably AIN is.
  • the casting mold comprises a plurality of ceramic casting mold inserts which are introduced into the at least casting mold frame and which have the negative contour or part of the negative contour of a component to be produced or the combination of a component to be produced with one or more casting cores have, the ceramic mold inserts each containing ent or consist of a material, the materials of at least two of the ceramic mold inserts having a different thermal conductivity and / or a different coefficient of thermal expansion.
  • the material of one of the mold inserts has a different thermal conductivity and / or a coefficient of thermal expansion than the material of at least one other of the mold inserts.
  • At least one of the ceramic mold inserts introduced into the mold frame contains or consists of a material which has a thermal conductivity of 1.5 to 50 W / mK and / or a coefficient of thermal expansion of 0.5 to
  • the material preferably being selected from the group consisting of SiN, SiAION, ATI
  • Ceramic mold inserts introduced into the casting mold frame contains or consists of a material which has a thermal conductivity of 100 to 220 W / mK and / or a thermal expansion coefficient of 4.0 to
  • the material preferably being selected from the group consisting of AIN, SiSiC and mixtures here of.
  • At least one of the ceramic mold inserts introduced into the mold frame contains or consists of a material which has a thermal conductivity of 1.5 to 50 W / mK and / or a coefficient of thermal expansion of 0.5 to 3.5 ⁇ e 6 / K, where the material is preferably selected from the group consisting of SiN, SiAION, ATI (aluminum titanate) and mixtures thereof, and / or
  • At least one of the ceramic mold inserts introduced into the mold frame contains or consists of a material which has a thermal conductivity of 100 to 160 W / mK and / or has a coefficient of thermal expansion of 4.0 to 4.8 ⁇ e 6 / K, the material preferably being SiSiC, and / or
  • At least one of the ceramic mold inserts introduced into the mold frame contains or consists of a material which has a thermal conductivity of 180 to 220 W / mK and / or a coefficient of thermal expansion of 4.5 to 5.6 ⁇ e 6 / K, wherein the material is preferably AIN.
  • a further preferred embodiment of the casting mold according to the invention is characterized in that the ceramic casting mold insert or the ceramic casting mold inserts contain / contain or consist of silicon infiltrated silicon carbide (SiSiC).
  • SiC Silicon carbide
  • Mold inserts made of silicon infiltrated SiC have no open porosity.
  • SiSiC has a very high thermal conductivity that exceeds that of conventional metal molds.
  • the thermal conductivity is influenced by the structure of the material (typical values are from 100 to 160 W / mk).
  • the coefficient of thermal expansion is low (4 to 4.8 ⁇ 10 6 / K).
  • the thermal conductivity is increased by the infiltrated silicon.
  • the tool insert can be inserted into a metal carrier with adapted thermal expansion and installed in the casting tool.
  • SiSiC as a material further reduces the effort involved in the application of sizes and thereby increases productivity.
  • the good thermal conductivity and the possibility of influencing the thermal conductivity via the structure of the SiSiC can be used for shorter cycle times and a controlled solidification of the melt.
  • the ceramic mold insert (which contains or consists of silicon-infiltrated silicon carbide (SiSiC)) or the ceramic mold insert (which contains or consist of silicon-infiltrated silicon carbide (SiSiC)) is / are provided with at least one passivation layer.
  • the passivation layer is preferably a Passivation layer made of a material selected from the group consisting of carbon, silicon nitride and mixtures thereof.
  • a thin layer is applied to the surface of the tool insert, which covers the silicon areas of the surface and thus passivates.
  • This layer preferably contains carbon which can form silicon carbide with the silicon at high temperature and in an inert atmosphere.
  • the metal (of the casting mold frame) or the alloy (of the casting mold frame) is selected from the group consisting of iron-nickel alloys, e.g. Invar, iron-nickel-cobalt alloys, e.g. Kovar, tool steel, cast iron and mixtures and alloys thereof.
  • the mold according to the invention may have several mold frames, e.g. frame two, three or four molds.
  • the mold inserts or the mold inserts each have a wall thickness of at least 10 mm.
  • the at least one mold frame each have a wall thickness of at least 25 mm.
  • the at least one mold frame preferably has channels for tempering the at least one mold frame and / or the mold insert or the mold inserts.
  • the at least one mold frame is preferably mounted on a carrier plate, preferably a carrier plate made of tool steel.
  • Other components can be connected to the carrier plate, e.g. a clutch plate for locking cylinders, an ejector, etc.).
  • the present invention also relates to a method for producing a casting mold according to the invention, in which a casting mold insert or multiple re mold inserts, the / the negative contour or part of the negative contour of a component to be manufactured or the combination of a component to be manufactured with one or more casting cores
  • a preferred variant of the method according to the invention is characterized in that the ceramic mold insert or ceramic mold inserts contain / contain or consist of silicon infiltrated silicon carbide (SiSiC).
  • the ceramic mold insert or ceramic mold inserts is / are provided with at least one passivation layer, the passivation layer preferably being a passivation layer made of a material selected from the group consisting of carbon, silicon nitride and mixtures thereof.
  • the ceramic mold insert or the ceramic mold inserts are / are provided with the at least one passivation layer by first applying at least one layer with the material of the passivation layer to the ceramic mold insert or the ceramic mold insert
  • the at least one applied layer is subjected to a temperature treatment, preferably in an inert gas atmosphere, particularly preferably nitrogen gas atmosphere, the temperature treatment preferably at a temperature in a range from 1000 ° C. to 1400 ° C. and / or over a period of 12 hours up to 120 h.
  • the present invention also relates to the use of a mold according to the invention in a process for casting one or more components, the process preferably being a low-pressure casting process.
  • a mold for low-pressure casting consisting of two mold parts, is constructed as follows: Each mold half consists of a mold frame, into which a mold insert made of aluminum nitride is embedded. The corresponding negative component contour is shown in the top of the casting mold insert, with the further design of the mold inserts
  • the minimum wall thickness of the mold insert is 10 mm.
  • the underside and the side surfaces of the mold insert are surrounded by a mold frame, which is made of an iron-nickel-cobalt alloy (Fe54Ni29Col7).
  • the mold frame is shaped so that a flat contact with the underside and the side surfaces of the ceramic mold insert is possible.
  • the mold frame has a minimum wall thickness of 25 mm and is provided with channels for tempering the mold frame and the mold insert.
  • the mold frame is mounted on a carrier plate made of tool steel, to which other components are connected (e.g. coupling plate for locking cylinders, ejectors, etc.).
  • the mold halves are guided on a base plate made of tool steel for opening and closing.
  • an inner sleeve made of aluminum titanate is inserted into the base plate.
  • the mold is tempered via the mold frame by an oil temperature system, where the maximum temperature at the mold frame does not exceed 350 ° C.
  • the casting mold described is used for light metal casting up to 800 ° C.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gießform zum Gießen von Bauteilen. Die Gießform umfasst mindestens einen Gießformrahmen aus Metall und/oder aus einer Legierung sowie einen oder mehrere in den mindestens einen Gießformrahmen eingebrachte keramische Gießformeinsätze. Der Gießformeinsatz bzw. die Gießformeinsätze weist/weisen dabei die negative Kontur oder einen Teil der negativen Kontur eines herzustellenden Bauteils oder der Kombination eines herzustellenden Bauteils mit einem oder mehreren Gießkernen auf. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gießform sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Gießform.

Description

Gießform zum Gießen von Bauteilen sowie Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gießform zum Gießen von Bauteilen. Die Gießform umfasst mindestens einen Gießformrahmen aus Metall und/oder aus einer Legierung sowie einen oder mehrere in den mindestens einen Gießformrahmen eingebrachte keramische Gießformeinsätze. Der Gieß formeinsatz bzw. die Gießformeinsätze weist/weisen dabei die negative Kon tur oder einen Teil der negativen Kontur eines herzustellenden Bauteils oder der Kombination eines herzustellenden Bauteils mit einem oder mehreren Gießkernen auf. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Gießform sowie die Verwendung der er findungsgemäßen Gießform.
Die Formgebung in metallischen Dauerformen bietet mit dem Niederdruck guss und dem Druckguss wirtschaftliche Verfahren zur Fertigung von Gusstei len. Dabei sind die Anforderungen an die metallischen Gießformen bzw. Kokil len hoch. Das Gießen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt führt zu einer hohen thermischen Belastung der Kokille, auch mit der Gefahr des punktuel len Verschweißens oder Legierungsbildung zwischen Schmelzmaterial und Kokille. Beim Druckguss kommen die Belastungen durch den hohen Druck und Geschwindigkeit der Schmelze hinzu. Durch die hohen Werkzeugkosten ist eine lange Standzeit für eine wirtschaftliche Fertigung notwendig. Lokal über lastete Bereiche im Formwerkzeug können zu einem vorzeitigen Ausfall füh ren.
Der Einsatz von Metallkokillen im Niederdruckguss bietet ein wirtschaftliches Verfahren zur Fertigung von Gussteilen. Die typische Anordnung von
Schmelzofen, Steigrohr und Kokille ermöglicht eine gerichtete Erstarrung der Metallschmelze. Im Vergleich zum Sandguss ermöglichen die hohen Abkühl geschwindigkeiten in Metallkokillen ein feinkörnigeres und dichtes Gefüge. Durch die hohen Werkzeugkosten ist eine lange Standzeit für eine wirtschaft liche Fertigung notwendig. Schnelles Abkühlen und das Gießen von Metallen mit hohen Schmelzpunkt (z.B. kupferhaltige Legierungen) führt zu einer hohen thermischen Belastung der Kokille, auch mit der Gefahr des punktuellen Ver schweißens oder Legierungsbildung zwischen Schmelzmaterial und Kokille. Hierdurch wird die Anzahl der möglichen Abgüsse bis zum Erreichen der Ver schleißgrenze reduziert. Das Aufträgen einer Schlichte schützt vor einem An haften der Gussteile an der Formwand. Ein häufiges Erneuern der Beschich tung führt aber zu einer geringeren Produktivität.
Das Aufträgen von Schlichten kann Kokillen vor einem frühzeitigen Verschleiß schützen. Schlichten können als Flüssigkeit oder als Pulver auf die Oberfläche der Kokille aufgetragen werden. Schlichten auf Basis von Graphit,
Molybdändisulfit oder Bornitrid sind übliche Trennmittel. Die Beschichtungen sind teilweise nicht sehr abriebfest, wodurch die Gefahr entsteht, dass Fehl stellen in der Beschichtung eine Reaktion zwischen Schmelze und dem Metall der Kokille ermöglichen. Schlichten können auch zu Oberflächenfehlern am Gussteil führen. Der Wärmetransport zwischen Schmelze und Kokille kann durch inhomogene Beschichtungen gestört werden und den Ausschuss an Gussteilen erhöhen. Bisherige Lösungsstrategien basieren auf einer Verbesse rung von Beschichtungszusammensetzungen und Beschichtungsverfahren.
Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Gieß- form zum Gießen von Bauteilen anzugeben, welche weniger anfällig für Ver schleiß und dadurch langlebiger ist.
Diese Aufgabe wird bezüglich einer Gießform mit den Merkmalen des Patent anspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Gießform mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Patentanspruch 14 gibt Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Gießform an. Die jeweilig abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildun gen dar.
Erfindungsgemäß wird somit eine Gießform zum Gießen von Bauteilen ange geben. Die Gießform umfasst mindestens einen Gießformrahmen (oder einen Gießformschieber) aus Metall und/oder aus einer (Metall-)Legierung sowie einen in den Gießformrahmen (bzw. den Gießformschieber) eingebrachten keramischen Gießformeinsatz oder mehrere in den mindestens einen Gieß formrahmen (bzw. den Gießformschieber) eingebrachte keramische Gieß formeinsätze. Der Gießformeinsatz bzw. die Gießformeinsätze weist/weisen dabei die negative Kontur oder einen Teil der negativen Kontur eines (mit der Gießform) herzustellenden Bauteils auf oder der Gießformeinsatz bzw. die Gießformeinsätze weist/weisen dabei der Kombination eines (mit der Gieß form) herzustellenden Bauteils mit einem oder mehreren Gießkernen auf.
Der keramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze wei sen eine hohe Verschleißfestigkeit und Beständigkeit auf. Die erfindungsge mäße Gießform ist in der Folge weniger anfällig für Verschleiß und dadurch langlebiger. Mit anderen Worten wird aufgrund der hohen Verschleißfestig keit und Beständigkeit die Anzahl der möglichen Abgüsse im Vergleich zu her kömmlichen Kokillen bzw. Gießformen erhöht.
In einen Formrahmen oder Schieber aus Metall können ein oder mehrere ke ramische Formeinsätze eingebracht werden, die das herzustellende Bauteil mit oder ohne einen zusätzlichen Kern abbilden. Die keramischen Formeinsät ze können so aufgebaut sein, dass der Einsatz von Trennmittel reduziert wer den kann. Zusätzlich kann das Material so ausgewählt werden, dass die Erstar rung des zu gießenden Bauteils gerichtet erfolgt. Die Geometrie der kerami schen Formeinsätze kann so gewählt werden, dass die Herstellung möglichst vereinfacht wird und das Bauteil ggf. mit Hilfe von Kernen die gewünschte Kontur erhält. Für eine schnelle Wärmeabführung können Einsätze aus Si-SiC mit hoher Wärmeleitfähigkeit (100-160 W/mK und 4-4,8 · e 6/K WAK) oder AIN (180-220 W/mK und 4,5-5, 6 · e-6/K WAK) eingesetzt werden. Eine langsame Abkühlungsgeschwindigkeit kann durch Einsätze aus Siliziumnitrid oder SiAION (4-50 W/mK und 2,1-3 · e-6/K WAK) erhalten werden. Die Matrize der Form kann vollständig aus dem keramischen Einsätze gebildet werden, oder aber nur partiell in besonders kritische Bereichen der Metallform eingesetzt werden. Die keramischen Einsätze können für Bereiche mit einer langsamen Abkühlungsgeschwindigkeit in eine Druckgussform eingesetzt werden, um die Erstarrung zu steuern oder in besonders stark beanspruchte Bereiche vor Ver schleiß zu schützen.
Die Möglichkeit, Einfluss auf den Wärmetransport beim Gießen zu nehmen, kann die Qualität der Gussteile erhöhen. Besonders belastete Bereiche einer metallischen Kokille können durch einen keramischen Einsatz verstärkt wer den und so länger genutzt werden. Der Aufwand hinsichtlich des Auftragens von Schlichten kann reduziert und dadurch die Produktivität erhöht werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießform zeichnet sich dadurch aus, dass der keramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze ein Material enthält/enthalten oder aus diesem be steht/bestehen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus AIN (Aluminiumnitrid), SiAION (Silicium-Aluminiumoxid-Nitrid), SiN (Siliciumnitrid), SiSiC (siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid), SiC (Siliciumcarbid), Zirkonoxid (Zr02, Zirconiumoxid), Aluminiumoxid (Al203), ATI (Aluminiumtitanat) und Mischun gen hiervon.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze ein Material enthält/enthalten oder aus diesem besteht/bestehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 1,5 bis 50 W/mK und/oder einen Wärmeausdeh nungskoeffizienten von 0,5 bis 3,5 · e 6/K aufweist. Vorzugsweise ist das Mate rial des Gießformeinsatzes bzw. der Gießformeinsätze dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SiN, SiAION, ATI (Aluminiumtitanat), und Mischun gen hiervon. Die Wärmeleitfähigkeit kann z.B. bestimmt werden gemäß ASTM E1461 - 13. Auch alle anderen in dieser Patentanmeldung angegebenen Wärmeleitfähig keiten können auf diese Weise bestimmt werden.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient kann z.B. bestimmt werden gemäß DIN 51045. Auch alle anderen in dieser Patentanmeldung angegebenen Wär meausdehnungskoeffizienten können auf diese Weise bestimmt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der keramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze ein Ma terial enthält/enthalten oder aus diesem besteht/bestehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 220 W/mK und/oder einen Wärmeausdeh nungskoeffizienten von 4,0 bis 5,6 · e 6/K aufweist. Vorzugsweise ist das Mate rial des Gießformeinsatzes bzw. der Gießformeinsätze dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AIN, SiSiC und Mischungen hiervon.
Vorzugsweise kann/können der keramische Gießformeinsatz bzw. die kerami schen Gießformeinsätze
ein Material enthalten oder aus diesem bestehen, welches eine Wär meleitfähigkeit von 100 bis 160 W/mK und/oder einen Wärmeausdeh nungskoeffizienten von 4,0 bis 4,8 · e 6/K aufweist, wobei das Material des Gießformeinsatzes bzw. der Gießformeinsätze vorzugsweise SiSiC ist, und/oder
ein Material enthalten oder aus diesem bestehen, welches eine Wär meleitfähigkeit von 180 bis 220 W/mK und/oder einen Wärmeausdeh nungskoeffizienten von 4,5 bis 5,6 · e 6/K aufweist, wobei das Material des Gießformeinsatzes bzw. der Gießformeinsätze vorzugsweise AIN ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießform umfasst die Gießform mehrere in den mindestens Gießformrahmen eingebrachte keramische Gießformeinsätze, die die negative Kontur oder ei nen Teil der negativen Kontur eines herzustellenden Bauteils oder der Kombi nation eines herzustellenden Bauteils mit einem oder mehreren Gießkernen aufweisen, wobei die keramischen Gießformeinsätze jeweils ein Material ent halten oder aus diesem bestehen, wobei die Materialien von mindestens zwei der keramischen Gießformeinsätze eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit und/oder einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwei sen. Dies bedeutet, dass das Material eines der Gießformeinsätze eine andere Wärmeleitfähigkeit und/oder einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf weist, als das Material von mindestens einem weiteren der Gießformeinsätze.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass
mindestens einer der in den Gießformrahmen eingebrachten ke ramischen Gießformeinsätze ein Material enthält oder aus diesem besteht, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 1,5 bis 50 W/mK und/oder einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,5 bis
3.5 · e 6/K aufweist, wobei das Material vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus SiN, SiAION, ATI
(Aluminiumtitanat) und Mischungen hiervon, und/oder mindestens einer der in den Gießformrahmen eingebrachten ke ramischen Gießformeinsätze ein Material enthält oder aus diesem besteht, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 220 W/mK und/oder einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,0 bis
5.6 · e 6/K aufweist, wobei das Material vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus AIN, SiSiC und Mischungen hier von.
Ferner ist es bevorzugt, dass
mindestens einer der in den Gießformrahmen eingebrachten kerami schen Gießformeinsätze ein Material enthält oder aus diesem besteht, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 1,5 bis 50 W/mK und/oder einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,5 bis 3,5 · e 6/K aufweist, wo bei das Material vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe beste hend aus SiN, SiAION, ATI (Aluminiutitanat) und Mischungen hiervon, und/oder
mindestens einer der in den Gießformrahmen eingebrachten kerami schen Gießformeinsätze ein Material enthält oder aus diesem besteht, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 160 W/mK und/oder ei- nen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,0 bis 4,8 · e 6/K aufweist, wobei das Material vorzugsweise SiSiC ist, und/oder
mindestens einer der in den Gießformrahmen eingebrachten kerami schen Gießformeinsätze ein Material enthält oder aus diesem besteht, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 180 bis 220 W/mK und/oder ei nen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,5 bis 5,6 · e 6/K aufweist, wobei das Material vorzugsweise AIN ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießform ist dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) ent hält/enthalten oder aus diesem besteht/bestehen.
Aus SiSiC können auch größere Formeinsätze endkonturnah hergestellt wer den. Siliciumcarbid (SiC) zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit und Korrosi onsbeständigkeit aus. Formeinsätze aus Silicium infiltriertem SiC besitzen kei ne offene Porosität. SiSiC besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, die die von üblichen Kokillen aus Metall übersteigt. Dabei wird die Wärmeleitfähig keit durch die Struktur des Werkstoffes beeinflusst (typische Werte liegen von 100 bis zu 160 W/mk). Neben der hohen thermischen Leitfähigkeit ist der thermische Ausdehnungskoeffizient niedrig (4 bis 4,8 · 10 6/K). Das Wärme leitvermögen wird durch das infiltrierte Silizium erhöht. Der Werkzeugeinsatz kann in einen metallischen Träger mit angepasster thermischer Ausdehnung eingesetzt und im Gießwerkzeug montiert werden.
Durch die Verwendung von SiSiC als Material wird der Aufwand hinsichtlich des Auftragens von Schlichten weiter reduziert und dadurch die Produktivität erhöht. Die gute Wärmeleitfähigkeit und die Möglichkeit der Beeinflussung der thermischen Leitfähigkeit über das Gefüge des SiSiC, kann für kürzere Taktzeiten und eine gesteuerte Erstarrung der Schmelze genutzt werden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der keramische Gießformeinsatz (der siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) enthält oder aus diesem besteht) bzw. die keramischen Gießformeinsätze (die siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) enthalten oder aus diesem bestehen) mit mindestens einer Passivie rungsschicht versehen ist/sind. Vorzugsweise ist die Passivierungsschicht eine Passivierungsschicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe beste hend aus Kohlenstoff, Siliciumnitrid und Mischungen hiervon.
Um eine Reaktion des Siliciums mit der Schmelze zu vermeiden und die che mische Beständigkeit des Werkzeugeinsatzes zu erhöhen, wird auf die Ober fläche des Werkzeugeinsatzes eine dünne Schicht aufgebracht, die die Siliciumbereiche der Oberfläche abdeckt und somit passiviert. Vorzugsweise enthält diese Schicht Kohlenstoff, der bei hoher Temperatur und in inerter Atmosphäre mit dem Silicium Siliciumcarbid bilden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießform ist das Metall (des Gießformrahmens) bzw. die Legierung (des Gieß formrahmens) ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen-Nickel- Legierungen, z.B. Invar, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, z.B. Kovar, Werk zeugstahl, Gusseisen sowie Mischungen und Legierungen hiervon.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Gießform mehrere Gießformrah men, z.B. zwei, drei oder vier Gießform rahmen, umfassen.
Vorzugsweise weist der Gießformeinsätze bzw. weisen die Gießformeinsätze jeweils eine Wandstärke von mindestens 10 mm auf.
Vorzugsweise weist der mindestens eine Gießform rahmen jeweils eine Wand stärke von mindestens 25 mm auf.
Vorzugsweise weist der mindestens eine Gießform rahmen Kanäle zur Tempe rierung des mindestens einen Gießform rahmens und/oder des Gießformein satzes bzw. der Gießformeinsätze auf.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Gießform rahmen auf einer Trägerplat- te, bevorzugt einer Trägerplatte aus Werkzeugstahl, montiert. An der Träger platte können weitere Bauteile angeschlossen sein, wie z.B. eine Kupplungs platte für Schließzylinder, ein Auswerfer, etc.).
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Gießform, bei welchem ein Gießformeinsatz oder mehre- re Gießformeinsätze, der/die die negative Kontur oder einen Teil der negati ven Kontur eines herzustellenden Bauteils oder der Kombination eines herzu stellenden Bauteils mit einem oder mehreren Gießkernen auf
weist/aufweisen, in mindestens einen Gießformrahmen aus Metall oder aus einer (Metall-)Legierung eingebracht oder eingesetzt werden.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der keramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) enthält/enthalten oder aus diesem besteht/bestehen.
Hierbei ist es bevorzugt, dass der keramische Gießformeinsatz bzw. die kera mischen Gießformeinsätze mit mindestens einer Passivierungsschicht verse hen wird/werden, wobei die Passivierungsschicht vorzugsweise eine Passivie rungsschicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Siliciumnitrid und Mischungen hiervon ist.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der keramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze dadurch mit der mindestens einen Passivie rungsschicht versehen wird/werden, dass zunächst mindestens eine Schicht mit dem Material der Passivierungsschicht auf den keramischen Gießformein satz bzw. die keramischen Gießformeinsätze aufgebracht wird und anschlie ßend die mindestens eine aufgetragene Schicht einer Temperaturbehandlung, vorzugsweise in einer Inertgasatmosphäre, besonders bevorzugt Stickstoff gasatmosphäre, unterzogen wird, wobei die Temperaturbehandlung vorzugs weise bei einer Temperatur in einem Bereich von 1000 °C bis 1400 °C und/oder über eine Dauer von 12 h bis 120 h erfolgt.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem die Verwendung einer erfindungs gemäßen Gießform in einem Verfahren zum Gießen von einem oder mehre ren Bauteilen, wobei das Verfahren vorzugsweise ein Niederdruckguss- Verfahren ist.
Anhand der nachfolgenden Beispiele soll die vorliegende Erfindung näher er läutert werden, ohne diese auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungs formen und Parameter zu beschränken. Ausführungsbeispiel
Eine Gießform für den Niederdruckguss, bestehend aus zwei Formteilen wird wie folgt aufgebaut: Jede Formhälfte besteht aus einem Gießformrahmen, in den ein Gießformeinsatz aus Aluminiumnitrid eingelassen ist. In den Gieß formeinsatz ist in der Oberseite die entsprechende negative Bauteilkontur abgebildet, wobei die weitere Formgestaltung der Formeinsätze
keramikgerecht erfolgt, insbesondere hinsichtlich einer Minimierung von auf tretenden Spannungen durch eine thermische Wechselbeanspruchung. Die minimale Wandstäke des Formeinsatzes beträgt 10 mm. Die Unterseite und die Seitenflächen des Gießformeinsatzes werden von einem Gießform rahmen umfasst, der aus einer Eisen-Nickel-Kobalt Legierung (Fe54Ni29Col7) gefertigt ist. Der Formrahmen ist so geformt, dass ein flächiger Kontakt mit der Unter seite und den Seitenflächen des keramischen Formeinsatzes möglich ist. Der Gießformrahmen besitzt eine minimale Wandstärke von 25 mm und ist mit Kanälen zur Temperierung des Gießformrahmens und des Formeinsatzes ver sehen. Der Gießformrahmen ist auf einer Trägerplatte aus Werkzeugstahl montiert, an der weitere Bauteile angeschlossen sind (z.B. Kupplungsplatte für Schließzylinder, Auswerfer, etc.). Die Formhälften werden zum Öffnen und Schließen auf einer Grundplatte aus Werkzeugstahl geführt. Für den Übergang vom Steigrohr in die geschlossene Form, wird eine an der Innenseite konische Hülse aus Aluminiumtitanat in die Grundplatte eingesetzt. Die Gießform wird über die Gießformrahmen durch ein Öltemperierungssystem temperiert, wo bei die maximale Temperatur an den Gießformrahmen 350 °C nicht über steigt. Die beschriebene Gießform wird für den Leichtmetallguss bis 800 °C eingesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Gießform zum Gießen von Bauteilen, umfassend mindestens einen Gießformrahmen aus Metall und/oder aus einer Legierung sowie einen oder mehrere in den mindestens einen Gießformrahmen eingebrachte keramische Gießformeinsätze, der/die die negative Kontur oder einen Teil der negativen Kontur eines herzustellenden Bauteils oder der Kombination eines herzustellenden Bauteils mit einem oder mehreren Gießkernen aufweist/aufweisen.
2. Gießform gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass der keramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze ein Material enthält/enthalten oder aus diesem be steht/bestehen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus AIN, SiAION, SiN, SiSiC, SiC, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, ATI und Mi schungen hiervon.
3. Gießform gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der keramische Gießformeinsatz bzw. die kerami schen Gießformeinsätze ein Material enthält/enthalten oder aus die sem besteht/bestehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 1,5 bis 50 W/mK und/oder einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,5 bis 3,5 · e 6/K aufweist, wobei das Material des Gießformeinsatzes bzw. der Gießformeinsätze vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe be stehend aus SiN, SiAION, ATI und Mischungen hiervon.
4. Gießform gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der keramische Gießformeinsatz bzw. die kerami schen Gießformeinsätze ein Material enthält/enthalten oder aus die sem besteht/bestehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 220 W/mK und/oder einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,0 bis 5,6 · e 6/K aufweist, wobei das Material des Gießformeinsatzes bzw. der Gießformeinsätze vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe be stehend aus AIN, SiSiC und Mischungen hiervon.
5. Gießform gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Gießform mehrere in den mindestens einen Gießformrahmen eingebrachte keramische Gießformeinsätze umfasst, die die negative Kontur oder einen Teil der negativen Kontur eines herzustellenden Bauteils oder der Kombination eines herzustellenden Bauteils mit einem oder mehreren Gießkernen aufweisen, wobei die keramischen Gießformeinsätze jeweils ein Material enthalten oder aus diesem bestehen, wobei die Materialien von mindestens zwei der ke ramischen Gießformeinsätze eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit und/oder einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
6. Gießform gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens einer der in den Gießformrahmen eingebrachten ke ramischen Gießformeinsätze ein Material enthält oder aus diesem besteht, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 1,5 bis 50 W/mK und/oder einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,5 bis
3.5 · e 6/K aufweist, wobei das Material vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus SiN, SiAION, ATI und Mischungen hiervon, und/oder
mindestens einer der in den Gießformrahmen eingebrachten ke ramischen Gießformeinsätze ein Material enthält oder aus diesem besteht, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 220 W/mK und/oder einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,0 bis
5.6 · e 6/K aufweist, wobei das Material vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus AIN, SiSiC und Mischungen hier von.
7. Gießform gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kera mische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) enthält/enthalten oder aus diesem besteht/bestehen.
8. Gießform gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kera mische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze mit mindestens einer Passivierungsschicht versehen ist/sind, wobei die Passivierungsschicht vorzugsweise eine Passivierungsschicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Siliciumnitrid und Mischungen hiervon ist.
9. Gießform gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Metall bzw. die Legierung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisen-Nickel-Legierungen, z.B. Invar, Eisen- Nickel-Kobalt-Legierungen, z.B. Kovar, Werkzeugstahl, Gusseisen sowie Mischungen und Legierungen hiervon.
10. Verfahren zur Herstellung einer Gießform gemäß einem vorhergehen den Ansprüche, bei welchem ein Gießformeinsatz oder mehrere Gieß formeinsätze, der/die die negative Kontur oder einen Teil der negati ven Kontur eines herzustellenden Bauteils oder der Kombination eines herzustellenden Bauteils mit einem oder mehreren Gießkernen auf weist/aufweisen, in mindestens einen Gießformrahmen aus Metall oder aus einer Legierung eingebracht werden.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der ke ramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) enthält/enthalten oder aus diesem besteht/bestehen.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der ke ramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze mit mindestens einer Passivierungsschicht versehen wird/werden, wobei die Passivierungsschicht vorzugsweise eine Passivierungsschicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Siliciumnitrid und Mischungen hiervon ist.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der ke ramische Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze da durch mit der mindestens einen Passivierungsschicht versehen wird/werden, dass zunächst mindestens eine Schicht mit dem Material der Passivierungsschicht auf den keramischen Gießformeinsatz bzw. die keramischen Gießformeinsätze aufgebracht wird und anschließend die mindestens eine aufgetragene Schicht einer Temperaturbehand lung, vorzugsweise in einer Inertgasatmosphäre, besonders bevorzugt in einer Stickstoffgasatmosphäre, unterzogen wird, wobei die Tempe- raturbehandlung vorzugsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 1000 °C bis 1400 °C und/oder über eine Dauer von 12 h bis 120 h erfolgt.
14. Verwendung einer Gießform nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in ei nem Verfahren zum Gießen von einem oder mehreren Bauteilen, wo- bei das Verfahren vorzugsweise ein Niederdruckguss-Verfahren ist.
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