NO172968B

NO172968B - PROCEDURE FOR PRESSURE CASTING OF METAL GOODS

Info

Publication number: NO172968B
Application number: NO892666A
Authority: NO
Inventors: Michel Garat
Original assignee: Pechiney Aluminium
Priority date: 1989-03-07
Filing date: 1989-06-27
Publication date: 1993-06-28
Also published as: ATE81044T1; AU600413B2; BR8903257A; PT91078B; JPH0626748B2; FI93322C; FI893154A; FI93322B; IE63394B1; UA13214A; KR920003686B1; AU3780489A; DE68903103D1; DK320189D0; PT91078A; ES2034726T3; JPH02235546A; NO172968C; AR241761A1; DE68903103T2

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for trykk-støping under trykk av metallgjenstander, spesielt av aluminium og legeringer derav. The present invention relates to a method for die-casting under pressure of metal objects, especially of aluminum and alloys thereof.

Det er kjent for fagmannen, for eksempel fra US-PS 3 157 924, at modeller av organisk skummateriale som polystyren som nedsenkes i en form tildannet av tørrsand og ikke inneholder bindemiddel kan benyttes for støping av metaller. Industrielt blir disse modeller generelt dekket med en film av ildfast materiale som er ment å forbedre støpens kvalitet. Ved en slik prosess blir metallet som skal støpes og som på forhånd er smeltet, bragt i kontakt med modellene ved hjelp av en mattemunning og kanaler som traverserer sanden og som gradvis trer istedet for modellen ved brenning av denne og overføring av den i det vesentlige til damp som slipper ut mellom sandkornene. It is known to the person skilled in the art, for example from US-PS 3 157 924, that models of organic foam material such as polystyrene which are immersed in a mold made of dry sand and do not contain a binder can be used for casting metals. Industrially, these models are generally covered with a film of refractory material which is intended to improve the quality of the casting. In such a process, the metal to be cast and which has previously been melted, is brought into contact with the models by means of a mat mouth and channels which traverse the sand and which gradually take the place of the model by burning it and transferring it essentially to steam that escapes between the grains of sand.

Sammenlignet med konvensjonell støping i en ikke-permanent form unngår denne metode preliminær fremstilling ved kompaktering og agglomerering av pulverformige ildfaste stoffer, av stive former forbundet på heller komplisert måte med kjerner og tillater enkel gjenvinning av støpen og lett resirkulering av støpematerialene. Den er derfor enklere og mere økonomisk enn den konvensjonelle metode. Videre gir den konstruktørene av støpegjenstandene større frihet hva angår formen av støpte gjenstander. Dette er hvorfor metodene har funnet økende attraktivitet ut fra et industrielt synspunkt. Imidlertid er den belemret med noen mangler, to av hvilke oppstår fra konvensjonelle metallurgiske mekanismer, det vil si: den relativt langsomme størkning som krever dannelse av gasshuller på grunn av hydrogen oppløst i den flytende Compared to conventional casting in a non-permanent form, this method avoids preliminary preparation by compaction and agglomeration of powdery refractories, of rigid forms connected in a rather complicated way with cores and allows easy recovery of the cast and easy recycling of the casting materials. It is therefore simpler and more economical than the conventional method. Furthermore, it gives the designers of the castings greater freedom with regard to the shape of the castings. This is why the methods have found increasing attractiveness from an industrial point of view. However, it is plagued with some shortcomings, two of which arise from conventional metallurgical mechanisms, namely: the relatively slow solidification that requires the formation of gas holes due to hydrogen dissolved in the liq

aluminiumlegering; aluminum alloy;

den relative svakhet for de termiske gradienter som fremmer mikrokrymping. the relative weakness of the thermal gradients that promote microshrinkage.

Med henblikk på å overvinne slike mangler har foreliggende oppfinnere i FR-publ. 2 606 688 foreslått en oppfinnelse som består i til formen, efter at den er fylt og før den størknede fraksjon av metall overskrider 40 vekt-#, å legge på et isostatisk gasstrykk med en maksimalverdi mellom 0,5 og 1,5 MPa. With a view to overcoming such shortcomings, the present inventors in FR-publ. 2 606 688 proposed an invention which consists in applying an isostatic gas pressure with a maximum value between 0.5 and 1.5 MPa to the mould, after it has been filled and before the solidified fraction of metal exceeds 40 wt-#.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å forbedre den kjente teknikk med en fremgangsmåte med de konvensjonelle trinn for trykkstøping av metallgjenstander omfattende: å benytte en modell av gjenstanden som skal støpes, The present invention aims to improve the known technique with a method with the conventional steps for pressure casting of metal objects comprising: using a model of the object to be cast,

tildannet av et skum av organisk materiale dekket med en formed from a foam of organic material covered with a

film av ildfast materiale; film of refractory material;

nedsenking av mønsteret i en form tildannet av tørr sand immersion of the pattern in a mold made of dry sand

uten bindemiddel; without binder;

fylling av formen med metall i smeltet tilstand for å filling the mold with metal in a molten state to

brenne av mønsteret; burn off the pattern;

fjerning av damp- og væskerester fra modellen; removal of steam and liquid residues from the model;

størkning av det smeltede metall for å oppnå gjenstanden; solidifying the molten metal to obtain the article;

og and

på formen, før den størknede andel av metallet overskrider 40 vekt-#, å legge på et isostatisk trykk med en verdi on the mold, before the solidified proportion of the metal exceeds 40 wt-#, to apply an isostatic pressure of a value

innen et maksimalt område på mellom 0,5 og 1,5 MPa, within a maximum range of between 0.5 and 1.5 MPa,

og oppfinnelsens fremgangsmåte karakteriseres ved at trykket økes med en hastighet mellom 0,003 og 3,0 MPa/sek. and the method of the invention is characterized by the pressure being increased at a rate between 0.003 and 3.0 MPa/sec.

slik at det, som en funksjon av kornstørrelsen i sanden og nedsenkningsdybden for modellen, hurtig og temporært på grunn av trykktap gjennom sanden dannes et overskytende trykk av smeltet metall i forhold til sanden i disse komponenters grenseflate idet dette overskytende trykk når en høyeste verdi og så synker efter hvert som trykket øker, idet man derefter holder trykket konstant inntil størkningen er ferdig. so that, as a function of the grain size in the sand and the immersion depth for the model, quickly and temporarily due to pressure loss through the sand, an excess pressure of molten metal is formed in relation to the sand in the interface of these components, as this excess pressure reaches a highest value and then decreases as the pressure increases, as the pressure is then kept constant until solidification is complete.

Foreliggende oppfinnere har således forbedret oppfinnelsen ifølge '688 idet at når formen er totalt fylt, det vil si når metallet helt og holdent har erstattet modellen og meste-parten av dampen er evakuert, blir det lagt et gasstrykk på formen. Denne operasjon kan gjennomføres ved å bringe formen i et kammer som kunne motstå trykk og som var forbundet med en gasskilde under trykk. The present inventors have thus improved the invention according to '688 in that when the mold is completely filled, that is to say when the metal has completely replaced the model and most of the steam has been evacuated, a gas pressure is applied to the mold. This operation can be carried out by bringing the mold into a chamber which could withstand pressure and which was connected to a source of gas under pressure.

Dette kan gjennomføres umiddelbart efter fylleprosessen mens metallet fremdeles er helt flytende, men den kan også skje senere forutsatt at den størknede fraksjon av metall i formen ikke overskrider 40$, ut over hvilken verdi trykket ville ha neglisjerbar virkning. Verdien for trykket som legges på har fortrinnsvis et maksimalt område på mellom 0,5 og 1,5 MPa. En verdi på mindre enn 0,5 MPa vil være util-strekkelig effektiv og en verdi over 1,5 MPa vil føre til høye driftsomkostninger. This can be carried out immediately after the filling process while the metal is still completely liquid, but it can also be done later provided that the solidified fraction of metal in the mold does not exceed 40$, beyond which value the pressure would have a negligible effect. The value of the applied pressure preferably has a maximum range of between 0.5 and 1.5 MPa. A value of less than 0.5 MPa will be insufficiently efficient and a value above 1.5 MPa will lead to high operating costs.

Det er så funnet at densiteten for gjenstandene ble øket betydelig ved å eliminere eller i det minste å redusere hullene forårsaket av gass og mikrokrymping, og de mekaniske egenskaper ble derfor forbedret. Imidlertid ga dette opphav til en ny mangel kjent som "metallpenetrering". Når således et trykk opprettes på en form for trykkstøping uten andre forholdsregler blir trykket utøvet på den ene side direkte på metallmatemunningen der den overføres så og si øyeblikkelig til hele massen av smeltet metall, og, på den annen side på overflaten av sanden der den overføres med gradvis økende intensitet på grunn av virkningen av trykktapet gjennom sandkornene. Trykket er derfor ute av balanse, noe som gir et overskytende trykk AP på metallet i forhold til sanden i området for disses grenseflate, det vil si på det punkt der modellen var i kontakt med sanden. Denne mangel på balanse er midlertidig og opptrer akkurat efter at trykket legges på men blir så gjenabsorbert. It was then found that the density of the articles was significantly increased by eliminating or at least reducing the voids caused by gas and microshrinkage, and the mechanical properties were therefore improved. However, this gave rise to a new defect known as "metal penetration". Thus, when a pressure is created on a form of die casting without other precautions, the pressure is exerted on the one hand directly on the metal feed mouth where it is transferred, so to speak, instantaneously to the entire mass of molten metal, and, on the other hand, on the surface of the sand where it is transferred with gradually increasing intensity due to the effect of the pressure loss through the sand grains. The pressure is therefore out of balance, which gives an excess pressure AP on the metal in relation to the sand in the area of their interface, that is to say at the point where the model was in contact with the sand. This lack of balance is temporary and occurs just after the pressure is applied but is then reabsorbed.

Hvis dette overskudd er for stort bringer det metallet til å trenge inn mellom kornene av sand og derved forårsake deformering på overflaten av gjenstanden. Dette utgjør det såkalte "metallpenetrerings" fenomen. For å overvinne dette var det nødvendig å prøve å redusere dette overskytende trykk så langt mulig og dette ble oppnådd i den ovenfor nevnte søknad ved å legge på et trykk som progressivt øket i tid fra verdiene 0 til den maksimale ønskede verdi hvorefter trykket ble holdt inntil metallet var fullstendig størknet. Således forelå det den lov at jo lavere trykket var når det først var pålagt, jo lettere var balansen. En tilstrekkelig lav hastighet for økningen av trykket var således definert for å oppnå et redusert overskytende trykk. Bortsett fra dette fenomen med metallpenetrering og manglene som resulterte fra de konvensjonelle metallurgiske mekanismer som er nevnt ovenfor, for hvilke det var dårlige løsninger å finne, har søkeren imidlertid merket seg to andre mangler som oppsto fra mekanismer som er absolutt spesifikke for trykkstøping, nemlig: dannelsen av blåsehull på grunn av gassdannede rester av If this excess is too great, it causes the metal to penetrate between the grains of sand and thereby cause deformation on the surface of the object. This constitutes the so-called "metal penetration" phenomenon. To overcome this, it was necessary to try to reduce this excess pressure as far as possible and this was achieved in the above-mentioned application by applying a pressure that progressively increased in time from the values 0 to the maximum desired value after which the pressure was held until the metal was completely solidified. Thus there was the law that the lower the pressure when it was first imposed, the easier the balance. A sufficiently low speed for the increase of the pressure was thus defined to achieve a reduced excess pressure. Apart from this phenomenon of metal penetration and the defects resulting from the conventional metallurgical mechanisms mentioned above, for which there were poor solutions to be found, the applicant has however noted two other defects arising from mechanisms absolutely specific to die casting, namely: the formation of blow holes due to gaseous residues of

skum; foam;

dannelse av karboninklusjoner forbundet med oksyder og oppstått på grunn av kontakt mellom flytende aluminiumlegering og karbonholdige rester av skum. formation of carbon inclusions associated with oxides and caused by contact between liquid aluminum alloy and carbonaceous remains of foam.

Således førte senere forskning opp til i dag til følgende konklusjoner. Thus, later research up to today led to the following conclusions.

Som påpekt ovenfor involverer den industrielle praksis for denne type støping å dekke mønsteret med en film av ildfast materiale generelt tildannet fra partikler fra keramer, agglomerert med et bindemiddel. Denne filmen virker som følger: i det øyeblikk det smeltede metall støpes blir skummet som vanligvis dannes fra polystyren, eliminert i både gassformig og flytende form. Det ildfaste sjikt er ansvarlig for å regulere elimineringen for gassdelene på grunn av dennes permeabilitet og for absorbering av den flytende del. Generelt sagt bør permeabiliteten tilpasses gjenstanden for å sikre at en pute av gass holdes mellom det smeltede metall og skummet og absorbsjonsevnen bør være maksimal for å eliminere flytende rester. Når således formen totalt er fylt er det ildfaste sjikt mettet med rester, overskuddet over metningen er forsvunnet inn i sanden. Metallet ved en temperatur av 600 til 800°C i kontakt med dette mettede sjikt av organisk materiale er derfor i formen og dette kan forårsake gassdann-else av væsken som så danner et trykk slik at gass trenger inn i metallet og gir blåsehull der, noe som i sin tur kan forårsake karboninklusjoner fra ufullstendig forbrenning av skumrestene. As pointed out above, the industrial practice for this type of casting involves covering the pattern with a film of refractory material generally formed from particles of ceramics, agglomerated with a binder. This film works as follows: at the moment the molten metal is cast, the foam that is usually formed from polystyrene is eliminated in both gaseous and liquid form. The refractory layer is responsible for regulating the elimination of the gas parts due to its permeability and for absorbing the liquid part. Generally speaking, the permeability should be adapted to the object to ensure that a cushion of gas is maintained between the molten metal and the foam and the absorbency should be maximum to eliminate liquid residues. When the mold is thus completely filled, the refractory layer is saturated with residues, the excess over saturation has disappeared into the sand. The metal at a temperature of 600 to 800°C in contact with this saturated layer of organic material is therefore in the mold and this can cause gas formation of the liquid which then creates a pressure so that gas penetrates into the metal and causes blow holes there, something which in turn can cause carbon inclusions from incomplete combustion of the foam residues.

For å unngå denne mangel må derfor tilstrekkelig overskytende trykk dannes i det smeltede metall i forhold til rommet i sanden bak filmen for derved å forårsake evakuering av gass-og væskerester mot sanden og således forhindre at disse trer inn i metallet. Imidlertid går dette igjen mot den løsning som er funnet for å unngå metallpenetrering og som involverte i størst mulig grad å redusere hastigheten med hvilken trykket ble øket for å redusere dette overskuddstrykk til et minimum. To avoid this deficiency, sufficient excess pressure must therefore be created in the molten metal in relation to the space in the sand behind the film to thereby cause the evacuation of gas and liquid residues towards the sand and thus prevent these from entering the metal. However, this again goes against the solution found to avoid metal penetration which involved reducing as much as possible the rate at which the pressure was increased to reduce this excess pressure to a minimum.

Det er nu funnet at det var vesentlig for å unngå metallpenetrering og penetrering av restene inn i metallet, å ligge innen et område for det overskytende trykk og således er forbedringen i følge oppfinnelsen som medfører bruk av en hastighetsøkning i trykket som er slik at, som en funksjon av kornstørrelsen i sanden og nedsenkningsdybden av mønster-et, det hurtig og temporært dannes, på grunn av trykkfall gjennom sanden, et overskytende trykk av smeltet metall i forhold til sanden i området for grenseflaten derimellom i det dette overskuddstrykk inntar en verdi som ligger mellom to grenser og så synker efter hvert som trykket øker og så holder trykket konstant inntil det er oppnådd total størk-ning. It has now been found that it was essential to avoid metal penetration and penetration of the residues into the metal, to lie within an area for the excess pressure and thus the improvement according to the invention which entails the use of a speed increase in the pressure which is such that, as a function of the grain size in the sand and the depth of immersion of the pattern, the rapid and temporary formation, due to pressure drop through the sand, of an excess pressure of molten metal in relation to the sand in the area of the interface between them in which this excess pressure assumes a value of between two limits and then decreases as the pressure increases and then the pressure remains constant until total solidification is achieved.

Denne hastighet har fortrinnsvis en verdi på mellom 0,003 og 0,3 MPa/sek. og, jo tykkere gjenstanden er, jo lavere er verdien idet verdier utenfor området forårsaker at den ene eller den andre av de to mangler overveier. This speed preferably has a value of between 0.003 and 0.3 MPa/sec. and, the thicker the object, the lower the value, as values outside the range cause one or the other of the two deficiencies to predominate.

Denne hastighet må selvfølgelig ta med i betraktning trykktapet gjennom formen, det vil si kornstørrelsen i sanden og også nedsenkningsdybden av modellen i sanden. Dette er hvorfor den er valgt som en funksjon av disse parametre og for å oppnå overskuddstrykkverdier på mellom 0,001 og 0,03 MPa, fortrinnsvis mellom 0,002 og 0,01 MPa. Dette overskuddstrykk er kun nødvendig for en kritisk periode som umiddelbart følger fyllingen av gjenstanden og når filmen fremdeles er mettet med ufullstendig fordampede produkter. Dette overskuddstrykk oppnås fortrinnsvis i løpet av 2 sekunder efter at trykket legges på, på hvilket tidspunkt fenomenet med metallpenetrering er størst. This speed must of course take into account the pressure loss through the mold, that is the grain size in the sand and also the immersion depth of the model in the sand. This is why it is chosen as a function of these parameters and to achieve excess pressure values of between 0.001 and 0.03 MPa, preferably between 0.002 and 0.01 MPa. This excess pressure is only necessary for a critical period immediately following the filling of the article and when the film is still saturated with incompletely evaporated products. This excess pressure is preferably achieved within 2 seconds after the pressure is applied, at which time the phenomenon of metal penetration is greatest.

Oppfinnelsen kan illustreres ved de følgende anvendelses-eksempler som angår støping av en eksosmanifold og et sylinderhode for en forbrenningsmotor under betingelser som tar i betraktning kornstørrelsen til sanden og nedsenkningsdybden av modellen til å ligge innenfor de krevede områder for overskuddstrykket. Disse betingelser og de benyttede form parametre er vist i tabell 1. The invention can be illustrated by the following application examples which relate to the casting of an exhaust manifold and a cylinder head for an internal combustion engine under conditions which take into account the grain size of the sand and the immersion depth of the model to be within the required ranges for the excess pressure. These conditions and the shape parameters used are shown in table 1.

Gjenstander som støpes på denne måte har meget få blåsehull og ingen skorpedannelse av karbon, noe som viser effek-tiviteten av forbedringen ifølge oppfinnelsen. Objects cast in this way have very few blowholes and no crust formation of carbon, which shows the effectiveness of the improvement according to the invention.

Claims

1. Method for pressure casting of metal objects comprising: using a model of the object to be cast, formed from a foam of organic material covered with a film of refractory material; - immersion of the pattern in a mold made of dry sand without binder; filling the mold with metal in a molten state to burn off the pattern; removal of steam and liquid residues from the model; solidifying the molten metal to obtain the article; and on the mold, before the solidified portion of the metal exceeds 40 wt-#, to apply an isostatic pressure with a value within a maximum range of between 0.5 and 1.5 MPa, characterized in that the pressure is increased at a rate between 0.003 and 3.0 MPa/sec. so that, as a function of the grain size in the sand and the immersion depth for the model, quickly and temporarily due to pressure loss through the sand, an excess pressure of molten metal is formed in relation to the sand in the interface of these components, as this excess pressure reaches a highest value and then decreases as the pressure increases, as the pressure is then kept constant until solidification is complete.

2. Method according to claim 1, characterized in that the speed increase for the pressure is between 0.003 and 0.3 MPa/sec. and that the thicker the object, the lower the speed.

3. Method according to claim 1, characterized in that the excess pressure has a value between 0.001 and 0.03 MPa.

4. Method according to claim 3, characterized in that the excess pressure has a value between 0.002 and 0.01 MPa.

5 . Method according to claim 1, characterized in that the maximum excess pressure is reached in less than 2 seconds.