NO174187B

NO174187B - Process for foam burning of metal articles under pressure

Info

Publication number: NO174187B
Application number: NO895143A
Authority: NO
Inventors: Michel Garat
Original assignee: Pechiney Aluminium
Priority date: 1989-09-07
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1993-12-20
Also published as: MX170097B; PT92353A; DE68907601D1; FI92162C; YU47519B; CN1017784B; KR930002837B1; HU209641B; DE68907601T2; CN1049991A; BG92798A; NO895143D0; JPH0399769A; FR2651453A2; RU1819185C; HU905776D0; AU4538989A; YU168890A; IE893715A1; JPH0626749B2

Abstract

The invention relates to a lost foam pressure casting process for metal pieces. This process consists, after having filled the mould with metal in the liquid state and before the solidified fraction of metal exceeds 40% by weight, in applying an isostatic gaseous pressure over the entire mould/metal, of which the value is between 1.5 and 10 mPa. The invention applies to the production of pieces, particularly made from aluminium alloys, having improved mechanical characteristics and, in particular, better resistance to fatigue. <IMAGE>

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for skumav-brenningsstøping av metallgjenstander under trykk, spesielt av aluminium og legeringer derav. The present invention relates to a method for foam burn-off casting of metal objects under pressure, especially of aluminum and its alloys.

For fagmannen er det kjent, hovedsakelig fra US-PS 3 157 924, at modeller og figurer av polystyrenskum som er innleiret i en form tildannet av tørrsand uten bindemiddel, kan benyttes for støping. Ved en slik prosess blir metallet som skal støpes og som på forhånd er smeltet, bragt i kontakt med figuren ved hjelp av kanaler gjennom sanden og trer gradvis istedet for modellen ved brenning av denne og omdanning av den til damp som så slipper ut mellom de benyttede sandkorn. It is known to the person skilled in the art, mainly from US-PS 3,157,924, that models and figures of polystyrene foam which are embedded in a mold made of dry sand without a binder, can be used for casting. In such a process, the metal to be cast and which has previously been melted, is brought into contact with the figure by means of channels through the sand and gradually takes the place of the model by burning it and turning it into steam which then escapes between the used grains of sand.

Denne metode har vist seg å være attraktiv i industriell målestokk fordi den unngår den preliminære fremstilling, ved kompaktering og agglomerering av pulverformig ildfast materiale, av stive former forbundet i et heller komplisert modell via kanaler til kjerner, og den tillater enkel gjenvinning av støpen og rett resirkulering av støpte materialer. Imidlertid har denne metode to mangler: den relativt langsomme størkning som fremmer dannelsen av This method has proven to be attractive on an industrial scale because it avoids the preliminary production, by compaction and agglomeration of powdered refractory material, of rigid forms connected in a rather complicated model via channels to cores, and it allows easy recycling of the casting and straight recycling of cast materials. However, this method has two shortcomings: the relatively slow solidification which promotes the formation of

gasshull; og gas hole; and

den relative svakhet i de termiske gradienter som kan forårsake mikrokrymping hvis omrisset av delen kompliserer mating derav. the relative weakness of the thermal gradients which can cause microshrinkage if the outline of the part complicates feeding thereof.

For å bøte på disse mangler er det utviklet en skumav-brenningsprosess som er gjenstand for FR-publ. 2 606 688. To remedy these shortcomings, a defoaming incineration process has been developed which is the subject of FR-publ. 2,606,688.

Denne beskrivelse lærer at, efter at formen er fylt med smeltet metall, det vil si når modellen helt er ødelagt av metallet og dampene som avgis når skummene er evakuert, et isostatisk gasstrykk legges på enheten av form og metall, fortrinnsvis før metallet begynner å størkne. Dette trykk legges på med verdier som øker i løpet av tiden for å unngå fenomenet med metallpenetrering og slik at den maksimale verdi oppnås i løpet av mindre enn 15 sekunder. This specification teaches that, after the mold is filled with molten metal, that is, when the model is completely destroyed by the metal and the vapors given off when the foams are evacuated, an isostatic gas pressure is applied to the unit of mold and metal, preferably before the metal begins to solidify. . This pressure is applied with values that increase over time to avoid the phenomenon of metal penetration and so that the maximum value is reached in less than 15 seconds.

Under disse betingelser hadde de støpte gjenstander som ble oppnådd en øket densitet som ga seg utslag i en forbedring av de mekaniske karakteristika, spesielt med henblikk på styrken. Under these conditions, the molded articles that were obtained had an increased density which resulted in an improvement of the mechanical characteristics, especially with regard to strength.

Imidlertid ble det i den beskrevne publikasjon ansett fordelaktig å benyttet et maksimalt trykk på mellom 0,5 og 1,5 MPa og at det var unødvendig å overskride denne siste grense. Efter mere inngående forskning ble det imidlertid fastslått at hvis trykket ble overskredet ytterligere, forbedret man ikke bare de mekaniske karakteristika som bruddstyrken Rm, grensebelastningen LE og forlengelsen Å, men også utmattingsmotstandsevnen F. However, in the described publication it was considered advantageous to use a maximum pressure of between 0.5 and 1.5 MPa and that it was unnecessary to exceed this last limit. However, after more in-depth research, it was determined that if the pressure was exceeded further, not only the mechanical characteristics such as the breaking strength Rm, the ultimate load LE and the elongation Å were improved, but also the fatigue resistance F.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å bøte på manglene ved den kjente teknikk og angår i henhold til dette en fremgangsmåte ved skumavbrenningsstøping, under trykk, av metallgjenstander, spesielt av aluminium og legeringer derav, hvori en organisk skummodell av gjenstanden som skal støpes innleires i en form hvis vegger defineres av et sjikt av tørr sand som ikke inneholder bindemiddel, idet formen fylles med det smeltede metall som erstatter skummet og gradvis størkner, og et økende isostatisk gasstrykk samtidig legges på formen og på metallet, tidligst efter ferdig fylling, der fremgangsmåten karakteriseres ved at trykket som legges på, heves til en verdi mellom 5 og 10 MPa. The present invention aims to remedy the shortcomings of the known technique and accordingly relates to a method of foam combustion casting, under pressure, of metal objects, in particular of aluminum and its alloys, in which an organic foam model of the object to be cast is embedded in a mold whose walls are defined by a layer of dry sand that does not contain a binder, as the mold is filled with the molten metal that replaces the foam and gradually solidifies, and an increasing isostatic gas pressure is simultaneously applied to the mold and to the metal, at the earliest after completion of filling, where the method is characterized by that the pressure applied is raised to a value between 5 and 10 MPa.

På samme måte som i FR-publ. 2 606 688 kan trykket legges på ved hjelp av en tett boks hvori formen anbringes i det denne boks er utstyrt med en eller flere dyser hensiktsmessig fordelt over veggen og forbundet med en kilde for gass under trykk. In the same way as in FR-publ. 2 606 688 the pressure can be applied by means of a tight box in which the mold is placed, this box is equipped with one or more nozzles suitably distributed over the wall and connected to a source of gas under pressure.

Innen det valgte trykkområdet har man funnet at fenomenet som dannes under anvendelse av trykket var heller forskjellig fra det som ble funnet ifølge kjent teknikk. Within the selected pressure range, it has been found that the phenomenon formed during application of the pressure was rather different from that found according to the known technique.

Ved trykk mellom 0,5 og 1,5 MPa tjente trykket hovedsakelig til å aksellerere strømmen av smeltet metall mellom dendrit-tene av størknende metall og virkningen stopper når det faste nettverk når et visst utviklingstrinn. Spesielt er dette hvordan de lave trykk muliggjorde at materen effektivt kunne forhindre fenomenet med krympingsmerker på grunn av kontrak-sjon av det størknende metall. At pressures between 0.5 and 1.5 MPa, the pressure served mainly to accelerate the flow of molten metal between the dendrites of solidifying metal and the action stops when the solid network reaches a certain stage of development. In particular, this is how the low pressures enabled the feeder to effectively prevent the phenomenon of shrink marks due to contraction of the solidifying metal.

På den annen side ble den strømmende virkning av det smeltede metall og som er overveiende ved begynnelsen av størkningen, gradvis erstattet av virkningen av en varmdeformering av det allerede størknede metallnettverk, under trykk over 1,5 MPa og spesielt over 5 MPa, et fenomen som ble overveiende også utelukkende efter at størkningsgraden nådde verdien på 50 til 70%, avhengig av typen støpt legering. Anvendelsen av høye trykk ga derfor en type av isostatisk støping som påvirket hele støpens overflate. On the other hand, the flowing effect of the molten metal and which is predominant at the beginning of solidification, was gradually replaced by the effect of a hot deformation of the already solidified metal network, under pressures above 1.5 MPa and especially above 5 MPa, a phenomenon which became predominantly also exclusively after the degree of solidification reached the value of 50 to 70%, depending on the type of cast alloy. The application of high pressure therefore produced a type of isostatic casting which affected the entire casting surface.

Den ledsagende figur 1 er et mikrofotografi av en A-S7G03 legeringstøp ifølge oppfinnelsen under et trykk på 7 MPa og så varmebehandlet. Mikrofotografiet viser den plastiske deformasjon som er lagt på det dendrittiske nettverk som har virkningen av at porene fylles opp, og figuren illustrer godt den smiende virkning som metallet underkastes ved denne prosess. The accompanying figure 1 is a photomicrograph of an A-S7G03 alloy casting according to the invention under a pressure of 7 MPa and then heat treated. The photomicrograph shows the plastic deformation imposed on the dendritic network which has the effect of filling up the pores, and the figure illustrates well the forging effect to which the metal is subjected in this process.

Under disse betingelser er det funnet at de mekaniske karakteristika for gjenstanden vesentlig forbedres og, spesielt, forbedres motstandsevnen mot utmatning. Uttrykk over 10 MPa gir kun uvesentlige forbedringer. Under these conditions, it has been found that the mechanical characteristics of the article are substantially improved and, in particular, the fatigue resistance is improved. Expressions above 10 MPa give only insignificant improvements.

Dette nye trykkområdet legges fortrinnsvis på før mengden av størknet metall når 40 vekt-% slik at væskestrømmen skal få virke. This new pressure range is preferably applied before the amount of solidified metal reaches 40% by weight, so that the liquid flow can work.

Det er også viktig at det maksimale trykk nås før mengden størknet metall overskrider 90% for derved å trekke full fordel av deformasjonsvirkningen. It is also important that the maximum pressure is reached before the amount of solidified metal exceeds 90% in order to take full advantage of the deformation effect.

Som i FR-publ. 2 606 688 er det foretrukket at trykket legges på ved en gradvis økning, spesielt ved begynnelse av størkningen, for å forhindre "metallpenetrering", et fenomen som stammer fra en forbigående ubalanse mellom trykket som utøves direkte på metallet og trykket som utøves på metallet ved hjelp av sandbadet. Således forårsaker badet et relativt høyt trykktap ved overføring av trykket, noe som i området for metallet som er i kontakt med sanden, fører til en tendens til at trykket skyver metallet gjennom sandkornene og deformerer støpen. As in FR publ. 2,606,688, it is preferred that the pressure be applied by a gradual increase, especially at the beginning of solidification, to prevent "metal penetration", a phenomenon which originates from a transient imbalance between the pressure exerted directly on the metal and the pressure exerted on the metal by using the sand bath. Thus, the bath causes a relatively high pressure loss when transferring the pressure, which in the area of the metal in contact with the sand, leads to a tendency for the pressure to push the metal through the sand grains and deform the casting.

Oppfinnelsen skal illustreres ved følgende utførelsesform: hule sylindriske legemer med en ytre diameter på 45 mm og en veggtykkelse på 4 mm og omfattende ved siden av hverandre liggende ribber og spor på 20 mm x 20 mm x 80 mm ble støpt ved den tidligere kjente prosess og ved prosessen ifølge oppfinnelsen, det vil si at et isostatisk gasstrykk tilsvar-ende et atmosfærisk trykk, et trykk på 1 MPa, og 5 MPa henholdsvis 10 MPa ble lagt på det indre av kammeret inneholdende formen akkurat før begynelsen av størkningen. Disse legemer var fremstilt av to typer legeringer med høye mekaniske karakteristika: - A-S7G03 med en sammensetning i vekt-# på Fe 0,20; Si 6,5-7,5; Cu 0,10; Zn 0,10; Mg 0,25-0,40; Mn 0,10; Ni 0,05; Pb 0,05; Sn 0,05; Ti 0,05-0,20; resten Al; - A-U5GT med en sammensetning i vekt-% på: Fe 0,35; Si 0,20; Cu 4,20-5,00; Zn 0,10; Mg 0,15-0,35; Mn 0,10; Ni 0,05; Pb 0,05; Sn 0,05; Ti 0,05-0,30; resten Al. The invention shall be illustrated by the following embodiment: hollow cylindrical bodies with an outer diameter of 45 mm and a wall thickness of 4 mm and comprising adjacent ribs and grooves of 20 mm x 20 mm x 80 mm were cast by the previously known process and by the process according to the invention, that is to say that an isostatic gas pressure corresponding to atmospheric pressure, a pressure of 1 MPa, and 5 MPa respectively 10 MPa was applied to the interior of the chamber containing the mold just before the start of solidification. These bodies were made of two types of alloys with high mechanical characteristics: - A-S7G03 with a composition by weight of Fe 0.20; Say 6.5-7.5; Cu 0.10; Zn 0.10; Mg 0.25-0.40; Mn 0.10; Nine 0.05; Pb 0.05; Sn 0.05; Ti 0.05-0.20; the remainder Al; - A-U5GT with a composition in % by weight of: Fe 0.35; Say 0.20; Cu 4.20-5.00; Zn 0.10; Mg 0.15-0.35; Mn 0.10; Nine 0.05; Pb 0.05; Sn 0.05; Ten 0.05-0.30; the rest Al.

De mekaniske prøver som ble utført på legemene i henhold til standard Y23 varmebehandling når det gjaldt A-S7G03 og Y24 varmebehandling når det gjaldt A-U5GT muliggjorde at følgende karakteristika kunne måles som en funksjon av de pålagte trykk: - For A-S7G03 tilsvarte kvalitetsindeksen Q i MPa som tilsvarer formelen Q = R + 150 log A der R er styrken i MPa og A er forlengelsen i % på både de tykke og tynne områder for gjenstanden; The mechanical tests carried out on the bodies according to standard Y23 heat treatment in the case of A-S7G03 and Y24 heat treatment in the case of A-U5GT enabled the following characteristics to be measured as a function of the applied pressures: - For A-S7G03 the quality index corresponded to Q in MPa which corresponds to the formula Q = R + 150 log A where R is the strength in MPa and A is the elongation in % on both the thick and thin areas of the object;

I A-U5GT, grensebelastningen (elastisitetsgrensen) i MPa, In A-U5GT, the limit stress (elastic limit) in MPa,

styrken R i MPa og forlengelsen A i %, altså både i de tykke og tynne områder. the strength R in MPa and the elongation A in %, i.e. both in the thick and thin areas.

Videre ble motstandsevnen mot utmatning F målt i MPa for hver av legeringene og hvert av de pålagte trykk fra torsjons-prøver på en prøve som var maskinbearbeidet ved IO<7> cykler ved trappetrinnsmetoden. F gjelder både tykke og tynne områder fordi den ikke avhenger av størkningsgraden, men av porøsiteten og som en konsekvens av det pålagte trykk. Furthermore, the yield strength F was measured in MPa for each of the alloys and each of the applied pressures from torsion tests on a sample that was machined at 10<7> cycles by the stair step method. F applies to both thick and thin areas because it does not depend on the degree of solidification, but on the porosity and, as a consequence, the applied pressure.

Resultatene er gitt i den følgende tabell. The results are given in the following table.

Claims

1. Method of foam combustion casting, under pressure, of metal objects, in particular of aluminum and its alloys, in which an organic foam model of the object to be cast is embedded in a mold whose walls are defined by a layer of dry sand containing no binder, the mold being filled with the molten metal that replaces the foam and gradually solidifies, and an increasing isostatic gas pressure is simultaneously applied to the mold and to the metal, at the earliest after completion of filling, characterized by the pressure applied being raised to a value between 5 and 10 MPa.

2. Method according to claim 1, characterized in that the pressure is applied at the latest when the amount of solidified metal amounts to 40 weight-$.

3. Method according to claim 1, characterized in that the maximum pressure is applied before the amount of solidified metal exceeds 90% by weight.