WO1999046072A1 - Giessvorrichtung und giessverfahren mit nachverdichtung - Google Patents

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WO1999046072A1
WO1999046072A1 PCT/DE1999/000672 DE9900672W WO9946072A1 WO 1999046072 A1 WO1999046072 A1 WO 1999046072A1 DE 9900672 W DE9900672 W DE 9900672W WO 9946072 A1 WO9946072 A1 WO 9946072A1
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WO
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pressure
mold cavity
mold
riser pipe
casting
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PCT/DE1999/000672
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter R. Sahm
Peio Stojanov
Hauke Müller-Späth
Original Assignee
Gut Giesserei Umwelt Technik Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/06—Vacuum casting, i.e. making use of vacuum to fill the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/04—Low pressure casting, i.e. making use of pressures up to a few bars to fill the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/09—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure
    • B22D27/11—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of mechanical pressing devices

Definitions

  • the invention relates to a device for pressure and / or vacuum-assisted casting of workpieces, in particular for low-pressure, counter-pressure and / or vacuum casting, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for producing workpieces by means of pressure and / or vacuum-assisted casting, in particular by means of low-pressure, counter-pressure and / or vacuum casting, according to the preamble of claim 15.
  • a particular aim is to achieve predetermined material properties at predetermined locations on the cast workpiece.
  • composite materials are produced by means of casting, a high wear resistance of the material being achieved, for example, in an outer region, while an inner carrier body is essentially ductile.
  • the quality of cast workpieces depends to a large extent on the way the melt is filled into the mold and the subsequent solidification process.
  • Pressure generating device is pressurizable. Protrudes from the furnace a ceramic riser tube, which dips into the melt in the furnace and is connected to a mold cavity of the casting mold. In this way, by pressurizing the melting furnace, melt is pressed through the riser pipe into the mold cavity of the casting mold. By appropriately controlling the pressure in the melting furnace, the mold cavity of the casting mold can be filled with melt in a predetermined manner.
  • the invention is therefore based on the object of a device and a method of the above. To create a way with which a recompression with high post-compression pressure is possible and at the same time the high post-compression pressure can be kept constant over a longer period of time.
  • a closure means optionally closes the riser pipe downstream of the mold cavity in a pressure-tight manner.
  • Remote A second pressure generating device is provided which, when the riser pipe is closed, sets a predetermined post-compression pressure in the mold cavity.
  • closure means is a first piston which is arranged downstream of the mouth of the riser pipe in an extension of the mold cavity in such a way that it optionally closes or releases the mouth of the riser pipe in the mold cavity.
  • the second pressure generating device is a second piston, which is arranged downstream of the mouth of the riser pipe in an expansion of the mold cavity in such a way that it can optionally have a post-compression pressure on the melt arranged in the mold cavity. Furthermore, by appropriately retracting the second piston during the movement of the first piston into its position closing the riser pipe, it is ensured that the melt remains absolutely free of movement during the closing of the riser pipe, so that the solidification process is not impaired by the closing movement of the first piston.
  • a particularly compact design with a small space requirement is obtained if the first and second pistons are arranged concentrically to one another in the same extension of the mold cavity.
  • the second piston is arranged separately from the first piston and is provided in an extension of the mold cavity which opens into the mold cavity adjacent to the riser pipe, in particular opposite the mouth of the riser pipe.
  • riser pipe is arranged offset from the main axis of the device.
  • the first pressure generating device is expediently a pressure vessel and / or a compressor and / or a vacuum pump.
  • the casting mold is, for example, a permanent mold or a lost mold, in particular a mold or a sand mold.
  • the workpieces produced are expediently pistons, brake disks, connecting rods, rims, etc. or components in which infiltration or gradient structure and locally reinforced areas are implemented.
  • a machine plate is provided in a particularly advantageous manner and the shape above the.
  • Machine plate can be tilted or moved in another form.
  • the casting device expediently has a machine plate between the mold and the melting furnace, the closure means with respect to the machine plate being on the furnace side and the second pressure generating means is arranged on the mold side with respect to the machine plate.
  • the second pressure generating device can be tilted together with the mold.
  • a novel counter-pressure casting method can be carried out in a particularly advantageous manner with the following steps:
  • the riser pipe is separated from the mold cavity in a pressure-tight manner and a post-compression pressure is generated in the mold cavity.
  • the post-compression pressure can be selected and maintained independently of any restrictions due to a limited mechanical strength of the riser pipe. Furthermore, pressure fluctuations which have a negative influence on the post-compression process are effectively avoided by, for example, temperature changes, for example of the riser pipe or components upstream of the riser pipe.
  • a post-compression pressure can thus be set and maintained very precisely, so that a particularly homogeneous material structure results from the post-compression or post-compression.
  • the casting mold is expediently exposed to a predetermined negative pressure, in particular a vacuum, before, at the beginning and / or after the filling.
  • the mold is tilted in a particularly advantageous manner before or when the post-compression pressure is applied.
  • 6 shows a third embodiment of the casting device according to the invention
  • 7 shows the time course of the pressure generated in the mold cavity of the casting mold, according to a first embodiment
  • Fig. 9 shows a fourth embodiment of the casting device according to the invention.
  • the melting furnace 10 comprises a melting furnace 10 with heating 12, such as a heating coil, an inductive heating or a resistance heating, and a melting crucible 14 arranged in the melting furnace 10.
  • the melting furnace 10 is by means of a cover 16 and a corresponding seal 18 sealed pressure-tight.
  • the pressure chamber 20 designed in this way can be subjected to a predetermined pressure by means of a first pressure generating device 22, such as, for example, a pressure vessel.
  • a riser pipe 24 extends through the cover 16, for example. a ceramic riser tube, which is immersed in a melt 26 located in the crucible 14.
  • the ascending pipe 24 opens at its end facing away from the melting furnace 10 into a mold cavity 28, which extends into a casting mold 30. into a mold.
  • the mold cavity 28 forms a cavity for producing a piston for an internal combustion engine in the embodiment shown.
  • a vacuum pump 32 is also provided, which optionally applies vacuum to the casting mold 30.
  • An extension 34 in which a first piston 36 and a second piston 38 are arranged, is formed near the opening of the riser pipe 24 into the mold cavity 28.
  • the two pistons 36 and 38 are arranged concentrically to one another in such a way that the first piston 36, designed as a hollow cylinder, surrounds the second piston 38 in a ring shape.
  • Both pistons 36 and 38 are not by one Drive system shown in detail along the extension 34 of the mold cavity 28 in Fig. 1 up and down.
  • the two pistons 36 and 38 are at their bottom dead center, i.e. the mouth 40 of the riser pipe 24 into the mold cavity 28 is released.
  • the melt 26 can now be forced to rise in the riser pipe 24 by applying a pressure in the pressure chamber 20 by means of the pressure generating device 22 and slowly fill the mold cavity 28 under the influence of the pressure prevailing in the pressure chamber 20.
  • a corresponding solidification process begins by cooling the melt 26 in the mold cavity 28.
  • a vacuum acting on the casting mold 30 is additionally generated by means of the vacuum pump 32.
  • the annular first piston 36 is moved upward in the direction of the arrow 42 according to FIG. 1.
  • This upward movement of the first piston 36 brings it into the position according to FIG. 2, in which it closes the opening 40 of the riser pipe 24 into the mold cavity 28.
  • the melt 26 already present in the mold cavity 28 is in no way moved by the piston 36.
  • a movement of the second inner piston 38 opposite to the piston 36 takes place, so that the volume of the melt 26 in the mold cavity 28 remains essentially constant despite the upward movement of the first piston 36 and there is no movement of the melt 26 in the mold cavity 28.
  • the opening 40 of the riser pipe 24 into the mold cavity 28 is completely and pressure-tightly closed by the first annular piston 36.
  • the construction of a Nes post-compression pressure take place in the mold cavity 28, wherein the post-compression pressure cannot act back into the riser pipe 24 and components connected upstream thereof due to the closure by means of the first piston 36.
  • the riser pipe 24 is thus protected from the subsequent compression pressure generated in the mold cavity 28.
  • the second inner piston 38 is moved upward in the direction of arrow 44 according to FIGS. 2 and 3. As a result, a high post-compression pressure is generated due to the corresponding reduction in volume of the mold cavity 28.
  • the mold cavity 28 is otherwise no longer connected to any movable, pressure-variable or pressure-unstable parts, as is shown in FIG. the riser pipe 24 or the furnace 10, there are also no undesirable fluctuations in the post-compression pressure in the mold cavity 28.
  • the position of the second piston 38 can be set and held very precisely, so that a very precisely predeterminable and particularly well constant over a longer period of time Post-compression pressure in the mold cavity 28 results. As a result, a particularly homogeneous and uniform structure is achieved in the workpiece in the casting mold 30 which is under the high post-compression pressure.
  • FIG. 4 shows an example of the upper end position for the second piston 38, in which a predetermined post-compression pressure prevails in the mold cavity 28. Under the action of this high and constant post-compression pressure, the melt 26 solidifies by cooling homogeneously and tightly in the mold cavity 28 to form the workpiece to be produced.
  • the modified embodiment of the casting device shown in FIG. 5 shows a drive device 50 for the two pistons 36 and 38.
  • a first pressure chamber 52 is arranged in the mold cavity extension 34 below the first piston 36.
  • the second piston 38 comprises a piston rod 54 which extends through the bottom 56 of the first piston 36 and through the first pressure chamber 52.
  • a third piston 58 is also arranged on the piston rod 54 and divides a cavity 60 into a second pressure chamber 62 and a third pressure chamber 64.
  • a compressor or hydraulic unit 66 is connected to the pressure chambers 52, 62 and 64 via valves 68, 70 and 72, respectively.
  • the first annular piston 34 is moved upward in the direction of the arrow 42, as described above, in order to close the opening 40 of the riser pipe 24 into the mold cavity 28.
  • the valves 68 and 70 are opened and the compressor or the hydraulic unit 66 pressurizes the pressure chambers 52 and 62.
  • the pressure in the first pressure chamber 52 pushes the first piston 36 upward due to the pressure at the bottom 56.
  • the pressure in the second pressure chamber 62 ensures that the piston 58 in the cavity 60 and thus via the piston rod 54 the second piston 38 is displaced downwards in the opposite direction to the first piston 36.
  • the surfaces of the bottom 56 and the piston 58 are selected such that the volume in the mold cavity 28 remains constant due to the opposing displacement of the pistons 38 and 36 when the mouth 40 of the riser pipe 24 is closed, so that during the closing of the mouth 40 with the annular piston 36, the melt 26 in the mold cavity 28 remains completely free of movement. In this way, the solidification process of the melt 26 in the mold cavity 28 is in no way impaired by the closing of the junction 40.
  • the valves 68 and 70 are closed and the third pressure chamber 64 of the cavity 60 is pressurized by means of the compressor 66 via the valve 72.
  • a compression pressure builds up in the mold cavity 28 closed by the riser pipe 24, since the pressure acting on the piston 58 in the third pressure chamber 64 pushes the second piston 38 upward in the direction of arrow 44 via the piston rod 54.
  • a venting device 74 is provided for returning the first piston 36 to its starting position.
  • the second piston 38 is reset by correspondingly opening and closing the valves 70 and 72 with a corresponding pressurization of the second pressure chamber 62 by means of the compressor 66.
  • the two pistons 36 and 38 are not arranged concentrically, but separately from one another.
  • the first piston 36 which serves to close the riser pipe 24, is shown in FIG the mold cavity extension 34 is arranged and L-shaped.
  • the second piston 38 is arranged in an additional mold cavity extension 80.
  • the first piston 36 is displaceable in the arrow direction 42, and the second piston 38 is displaceable in the arrow direction 44.
  • the first piston 36 is shifted upwards in FIG. 6.
  • the L-shaped configuration of the first piston 36 prevents this piston 36 from completely closing the mold cavity 28 with respect to the mouth 40.
  • the L-shape of the first piston 36 ensures a remaining cavity in the area of a junction 82 of the additional mold cavity extension 80.
  • the second piston 38 moves at one 6 in the direction of arrow 44 to the right in order to ensure an absolute standstill of the melt in the mold cavity 28 during the closing process.
  • the piston 38 then moves in the opposite direction in FIG. 6 in the direction of arrow 44 to the left and generates a corresponding compression pressure in the mold cavity 28, which is sealed off from the riser pipe 24 by the closure by means of the first piston 36.
  • the embodiment according to FIG. 6 can also be used in a particularly advantageous manner for separating the mold and the melting space before filling the mold cavity with melt, the separation being carried out as shown in FIG. 6.
  • the aim here is not primarily to protect the riser pipe 24 from high post-compression pressures, but rather to seal off the mold 30 from the pressure chamber 20.
  • This is advantageous when casting magnesium or other easily combustible alloys such as Al-Li (Aluminum-lithium), can be used.
  • the problem arises that the molding space is not always placed under protective gas, which leads to a fire risk and contamination in the component to be produced due to the high affinity of the magnesium melt or other previously mentioned melts.
  • Another problem is pouring into a sand mold using a low pressure furnace, one in the sand Sandform gas can react with the melt. Therefore, in order to counteract this, the procedure according to the invention is as follows:
  • This method can be used for metallic permanent molds with sand cores as well as for other deposits as well as for sand molds.
  • the sand packet is covered by a hood flooded with protective gas
  • FIG. 6 Another method which is preferably to be carried out with the embodiment according to FIG. 6 relates to a novel counter-pressure casting method.
  • the piston 36 moves in the closed position in the direction of the mold 30 and thereby separates the mold cavity 28 from the furnace 10 before the mold is filled.
  • two different pressures are preferably built up in the mold cavity 28 and in the furnace chamber 20. This takes place, for example, in each case by applying an overpressure or underpressure in the mold cavity 28 and / or in the furnace chamber 20 such that a relatively higher pressure prevails in the furnace cavity 20 than in the mold cavity 28.
  • the piston 6 moves back, ie in * Fig. Downwardly, and raises the separation between mold 30 and the melting space 20.
  • the differential pressure between the mold 30 and the melting space 20 is chosen as desired, but in a suitable manner adapted to the respective melt 26 and the workpiece to be produced, the height of the differential pressure determining the speed of the mold filling. Depending on the component, both slow and fast mold filling times are realized.
  • the difference to previously known counter-pressure casting methods is that even before the mold cavity 28 is actually filled with melt 26 Differential pressure between mold 30 and melting chamber 20 is produced and the pressure in the mold cavity 28 is lower than in the melting chamber 20.
  • the embodiment according to FIG. 6 with the L-shaped piston as a post-compression device, as a separating device from mold cavity 28 and furnace 10, with the aim of, for example, casting magnesium by means of a low-pressure process, and as a separating device from mold cavity 28 and furnace system 10 with which The aim of realizing a counter-pressure casting process can be used.
  • the function of re-pressing is optionally also possible.
  • the riser pipe 24 in contrast to known pouring devices, is arranged offset from the main axis of the system and opens laterally into the mold cavity 28. This is particularly advantageous since it enables the drive device 50 for the pistons 36, 38 and the furnace 10 and the first pressure generating device 22 to be arranged next to one another in one plane, so that a small space requirement and a compact construction result.
  • the pressure in the system is slowly increased from the pressure po to a predetermined pressure pi in a period ti.
  • the melt 26 is conveyed from the furnace 10 via the riser pipe 24 into the mold cavity 28 under the gas pressure “p” in the melting furnace.
  • This time period ti is referred to below as the mold filling time.
  • the mold cavity 28 is completely filled with the melt 26.
  • the pressure pi is held for a predetermined time t 2 in the mold cavity 28 for the beginning of crystallization or solidification of the melt 26.
  • the first crystallization or solidification by cooling takes place in a preferred manner at the interfaces of the melt 26 to the inner surfaces of the casting mold 30 surrounding the mold cavity 28.
  • the first piston 36 is moved in the closing direction in order to close the opening 40 of the riser pipe 24 into the mold cavity 28.
  • the pressure remains constant at p. This is achieved by moving the second piston 38 in the opposite direction to the first piston 36, so that there is no change in pressure and no change in volume in the mold cavity 28.
  • the melt 26 already located in the mold cavity 28 remains motionless during the closing process, that is to say during the time U.
  • the post-compression pressure p 2 can be selected to be significantly higher than the mold filling pressure pi, since from the end of the period t3 or the beginning of the period U the riser pipe 24 is completely closed off from the mold cavity 28, so that the post-compression pressure built up in the mold cavity 28 by means of the second piston 38 cannot react on the riser pipe 24 and corresponding upstream components.
  • the melt 26 crystallizes or solidifies in the mold cavity 28 under the post-compression pressure p 2 , as a result of which a correspondingly homogeneous and uniform structure of the material is achieved.
  • the pressure is reduced to the initial pressure and the melt is cooled further without pressure.
  • FIG. 8 shows an analog pressure curve over time according to a second embodiment.
  • the casting mold 30 is additionally borrowed by means of the vacuum pump 32 in the period to and in the period ti with a vacuum Vi.
  • This vacuum Vi essentially corresponds to a pressure which is lower than the outlet pressure p 0 .
  • the vacuum Vi is already applied at a time to, at which there is still no pressure increase in the melting furnace 10 for a mold filling via the riser pipe 24. Instead, the vacuum initiates a suction of melt 26 from the melting furnace 10, so that the filling of the mold cavity 28 begins.
  • This time course of the vacuum V is only an example. It is also possible to use the vacuum V !
  • the vacuum Vi supports the transport of melt 26 from the crucible 14 in the furnace 10 via the riser pipe 24 into the mold cavity 28.
  • the fourth embodiment of the casting device shown in FIG. 9 differs from that according to FIG. 6 essentially in that the two pistons 36, 38 are arranged on both sides of a machine plate 84.
  • the resulting spacing of the two pistons 36, 38 makes the L-shaped design of the first piston 36 unnecessary.
  • this device is designed such that the mold 30 can be tilted above the machine plate 84. After the mold cavity 28 has been filled with melt, the first piston 36 closes the ceramic riser pipe 24 and the compression is carried out by means of the second piston 38 in the manner already described.
  • the mold 30, which is arranged above the machine plate 84 is additionally tilted. This tiltability is achieved by means of corresponding movable machine parts.
  • Tilting during recompression is particularly advantageous in the case of pouring devices with a sand system or gravity die casting.
  • an upper part of the casting device tilts with a sand mold, with the mold being transported further, for example, and a next mold being adopted.
  • this technology offers great potential for the production of composite components, which are manufactured, for example, from infiltration of a preform made of metallic or ceramic material.
  • One area of application is the production of pistons for internal combustion engines or brake discs for train trains.
  • a particularly advantageous extension of the casting method according to the invention results from a combination of low-pressure casting, counter-pressure casting and vacuum casting.
  • the invention can be used both with permanent metal molds and with lost sand molds or other casting molds.
  • An essential element of the invention is that first the mouth 40 of the riser 24 is passed over the outer piston 36 and is thus completed. So that no pressure is exerted on the melt 26 already located in the mold cavity 28, the inner piston 38 simultaneously moves opposite the first piston 36 to such an extent that no pressure is exerted on the melt 26 and thus each volume element of the melt 26 in the mold cavity 28 remains in place. The subsequent post-compression can thus take place without damaging the riser pipe 24 by corresponding movement of the second piston 38. If necessary, the process sequence is supported by vacuum drawing (see Fig. 8).
  • the post-compression unit - be it formed by the described two pistons 36, 38 or the aforementioned single piston - in such a way that post-compression does not only take place after the mold has been completely filled and the riser pipe has been closed. res 24 is started, but that the piston or the piston unit 36, 38 is moved before the mold is completely filled, thereby filling the mold 30 partially or completely by means of the piston or pistons themselves.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum druck- und/oder vakuumgestützten Gießen von Werkstücken, insbesondere zum Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, mit einer ersten Druckerzeugungsvorrichtung (22), welche in einem Schmelzofen (10), in dem eine Schmelze (26) angeordnet ist, einen vorbestimmten Druck einstellt, wobei ein in die Schmelze (26) tauchendes Steigrohr (24), insbesondere ein Keramiksteigrohr, mit einem Formhohlraum (28) einer Gießform (30) verbunden ist, ist die Anordnung derart getroffen, daß ein Verschlußmittel (36) vorgesehen ist, welches das Steigrohr (24) stromab zum Formhohlraum (28) wahlweise druckdicht abschließt. Ferner ist eine zweite Druckerzeugungsvorrichtung (38) vorgesehen, welche bei verschlossenem Steigrohr (24) im Formhohlraum (28) einen vorbestimmten Nachverdichtungsdruck einstellt. Das hierzu erfindungsgemäß vorgesehene Gießverfahren wird derart durchgeführt, daß nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Füllen des Formhohlraumes das Steigrohr vom Formhohlraum druckdicht abgetrennt und in dem Formhohlraum ein Nachverdichtungsdruck erzeugt wird.

Description

Gießvorrichtunq und Gießverfahren mit Nachverdichtunq
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum druck- und/oder vakuumgestützten Gießen von Werkstücken, insbesondere zum Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen von Werkstücken mittels druck- und/oder vakuumgestütztem Gießen, insbesondere mittels Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Beim Herstellen von Werkstücken mittels Gießverfahren liegt ein besonderes Ziel darin, an vorbestimmten Stellen des gegossenen Werkstückes vorbestimmte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Hierzu werden mittels Gießen Verbundmaterialien hergestellt, wobei beispielsweise in einem äußeren Bereich eine hohe Verschleißfestigkeit des Werkstoffes erzielt wird, während ein innerer Trägerkörper im wesentlichen duktil ausgebildet ist. Die Qualität gegossener Werkstücke ist in hohem Maße von der Art des Einfüllvorganges der Schmelze in die Gießform und dem darauf folgenden Erstarrungsvorgang abhängig.
Für eine exakt gesteuerte Befüllung einer Gießform mit einer Schmelze ist es be- kannt (EP 0 624 413 A1), die Schmelze in einem druckdicht abgeschlossenen
Schmelzofen anzuordnen, wobei der innere Raum des Schmelzofens mittels einer
Druckerzeugungsvorrichtung unter Druck setzbar ist. Aus dem Schmelzofen ragt ein Keramiksteigrohr, welches in die Schmelze im Ofen eintaucht und mit einem Formhohlraum der Gießform verbunden ist. Auf diese Weise wird durch das Unterdrucksetzen des Schmelzofens Schmelze durch das Steig-rohr in den Formhohlraum der Gießform gedrückt. Durch entsprechende Steuerung des Druckes im Schmelzofen kann auf vorbestimmte Art und Weise der Formhohlraum der Gießform mit Schmelze gefüllt werden.
Nach dem Befüllen des Formhohlraums der Gießform mit Schmelze ist es wünschenswert, zum Herstellen eines besonders homogenen und dichten Gefüges einen Nachdruck zu einem Zeitpunkt zu erzeugen, zu dem die Schmelze nur zum Teil durch Abkühlung auskristallisiert bzw. erstarrt ist. Hierzu ist es bekannt, bei einer Niederdruckgießvorrichtung nach dem Befüllen des Formhohlraumes mit Schmelze einen erhöhten Druck im Schmelzofen zu erzeugen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß durch die vielen, dem Steigrohr vorgelagerten Komponenten, wie Schmelzofen, Schmelztiegel und Druckerzeugungsvorrichtung, ein exaktes Halten eines vorbestimmten Druckes über eine längere Zeit schwierig ist. Es kommt systembedingt zu unerwünschten Druckschwankungen. Ferner ist das in die Schmelze eintauchende Steigrohr aus Keramik gefertigt und somit nicht geeignet, einem höheren Nachverdichtungsdruck standzuhalten. Daher ist ein ent- sprechender Nachverdichtungsdruck auf relativ niedrige Drücke begrenzt, um eine Zerstörung des Keramiksteigrohres zu verhindern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der o.g. Art zu schaffen, mit denen eine Nachverdichtung mit hohem Nachver- dichtungsdruck möglich ist und gleichzeitig der hohe Nachverdichtungsdruck über einen längeren Zeitraum konstant gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch eine Vorrichtung der o.g. Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren der o.g. Art mit den Merk- malen des Anspruchs 15 gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß ein Verschlußmittel das Steigrohr stromab zum Formhohlraum wahlweise druckdicht abschließt. Fer- ner ist eine zweite Druckerzeugungsvorrichtung vorgesehen, welche bei verschlossenem Steigrohr im Formhohlraum einen vorbestimmten Nachverdichtungsdruck einstellt.
Dies hat den Vorteil, daß durch das Abschließen des Steigrohres vom Formhohlraum ein Schutz für das empfindliche Steigrohr vor entsprechenden Nachverdichtungsdrücken im Formhohlraum geschaffen ist, wodurch höhere Nachverdichtungsdrücke realisierbar sind. Ferner sind negative Einflüsse auf die Nachverdichtung durch Druckschwankungen in der ersten Druckerzeugungsvorrichtung und/oder im Schmelzofen durch die Abkopplung des Steigrohres wirksam vermieden, wodurch sich bei der Nachverdichtung ein homogeneres Werkstoffgefüge einstellt. Ferner sind Druckschwankungen im Formhohlraum während der Nachverdichtung aufgrund von temperaturbedingten Verformungen des Steigrohres oder hierzu vorgelagerten Komponenten verhindert.
Eine mechanisch einfache, kostengünstige und funktionssichere Anordnung erzielt man dadurch, daß das Verschlußmittel ein erster Kolben ist, welcher stromab der Einmündung des Steigrohres in einer Erweiterung des Formhohlraumes derart verschiebbar angeordnet ist, daß er wahlweise die Einmündung des Steigrohres in den Formhohlraum verschließt oder freigibt.
Eine genaue Einstellbarkeit des Nachverdichtungsdruckes, welcher über eine vorbestimmte Zeitspanne besonders konstant haltbar ist, erreicht man dadurch, daß die zweite Druckerzeugungsvorrichtung ein zweiter Kolben ist, welcher stromab der Einmündung des Steigrohres in einer Erweiterung des Formhohlraumes derart verschiebbar angeordnet ist, daß er wahlweise einen Nachverdichtungsdruck auf die in dem Formhohlraum angeordnete Schmelze ausübt. Ferner ist durch entsprechendes Zurückfahren des zweiten Kolbens während der Bewegung des ersten Kolbens in seine das Steigrohr verschließende Stellung gewährleistet, daß die Schmelze während des Verschließens des Steigrohres absolut bewegungsfrei bleibt, so daß der Erstarrungsvorgang durch die Schließbewegung des ersten Kolbens nicht beeinträchtigt wird. Eine besonders kompakte Bauweise mit geringem Raumbedarf ergibt sich dann, wenn erster und zweiter Kolben in derselben Erweiterung des Formhohlraumes konzentrisch zueinander angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Kolben getrennt vom ersten Kolben angeordnet und in einer Erweiterung des Formhohlraumes vorgesehen, welche benachbart zum Steigrohr, insbesondere gegenüber der Einmündung des Steigrohres, in den Formhohlraum mündet.
Eine ordnungsgemäße Funktion des zweiten Kolbens bei verschlossenem Steigrohr ist dadurch sichergestellt, daß der erste Kolben L-förmig ausgebildet ist, wobei ein L-Schenkel das Steigrohr verschließt und gleichzeitig im Formhohlraum benachbart oder gegenüber der verschlossenen Steigrohreinmündung ein Hohlraum im Bereich der Einmündung der Formhohlraumerweiterung des zweiten Kol- bens verbleibt.
Eine besonders kompakte und platzsparende Bauweise erzielt man dadurch, daß das Steigrohr aus der Hauptachse der Vorrichtung versetzt angeordnet ist.
Zweckmäßigerweise ist die erste Druckerzeugungsvorrichtung ein Druckbehälter und/oder ein Kompressor und/oder eine Vakuumpumpe.
Die Gießform ist beispielsweise eine Dauerform oder eine verlorene Form, insbesondere eine Kokille oder eine Sandgußform.
Zweckmäßigerweise sind die hergestellten Werkstücke Kolben, Bremsscheiben, Pleuel, Felgen u.a. oder Bauteile, bei denen Infiltration oder auch Gradientenstruktur sowie lokal verstärkte Bereiche realisiert sind.
Für eine Gießvorrichtung mit Sandformanlage ist in besonders vorteilhafter Weise eine Maschinenplatte vorgesehen und die Form oberhalb der. Maschinenplatte kippbar gelagert oder in einer anderen Form beweglich. Zweckmäßigerweise weist die Gießvorrichtung dabei eine Maschinenplatte zwischen der Form und dem Schmelzofen auf, wobei das Verschlußmittel bzgl. der Maschinenplatte ofenseitig und das zweite Druckerzeugungsmittel bzgl. der Maschinenplatte formseitig angeordnet ist. Dadurch ist die zweite Druckerzeugungsvorrichtung zusammen mit der Form kippbar.
Mit einer derartigen Vorrichtung ist in besonders vorteilhafter Weise ein neuartiges Gegendruckgießverfahren mit den folgenden Schritten ausführbar:
(a) Verschieben des Verschlußmittels vor dem Füllen des Formhohlraumes mit Schmelze in Schließrichtung,
(b) Aufbauen eines vorbestimmten Differenzdruckes zwischen Formhohlraum und Schmelzofen, wobei der Druck im Schmelzofen höher ist als der Druck im Formhohlraum, und
(c) Verschieben des Verschlußmittels in Offenstellung, so daß der Differenzdruck durch die nunmehr geöffnete Verbindung zwischen Schmelzofen und Formhohlraum letzteren mit Schmelze füllt.
Die hat den Vorteil, daß die Formfüllung mit Schmelze mit einer vorbestimmten Druckdifferenz beginnt und eventuelle stark variable Druckverhältnisse beim Aufbau des Differenzdruckes keinen negativen Einfluß mehr auf die Formfüllung, beispielsweise bezüglich einer ungleichmäßigen Füllung der Form, haben.
Bei einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Füllen des Formhohlraumes das Steigrohr vom Formhohlraum druckdicht abgetrennt und in dem Formhohlraum ein Nachverdichtungsdruck erzeugt wird.
Dies hat den Vorteil, daß der Nachverdichtungsdruck unabhängig von etwaigen Einschränkungen aufgrund einer eingeschränkten mechanischen Festigkeit des Steigrohres gewählt und aufrechterhalten werden kann. Ferner sind den Nachverdichtungsvorgang negativ beeinflussende Druckschwankungen durch beispiels- weise Temperaturwechselbeanspruchungen, beispielsweise des Steigrohres oder von dem Steigrohr vorgelagerten Komponenten, wirksam vermieden. Ein Nachverdichtungsdruck kann dadurch sehr genau eingestellt und gehalten werden, so daß sich ein besonders homogenes Werkstoffgefüge durch das Nachverdichten bzw. Nachdrücken ergibt. Zweckmäßigerweise wird die Gießform vor, zu Beginn und/oder nach dem Füllen einem vorbestimmten Unterdruck, insbesondere einem Vakuum, ausgesetzt.
Zum Schutz von leicht brennbaren Schmelzen und zum Vermeiden von Verunreinigungen durch in der Form vorhandenes Gas, welches mit der Schmelze beispielsweise chemisch reagiert, sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren folgende Schritte vorgesehen:
(a) Aussetzen der Schmelze in der Gießform einem Schutzgas, (b) druckdichtes Abtrennen des Steigrohres vom Formhohlraum,
(c) Ausbilden eines Vakuums im Formraum und anschließendes Fluten des Formraumes mit Schutzgas und
(d) Verbinden des Steigrohres mit dem Formhohlraum.
Dies hat den Vorteil, daß alle möglicherweise neben dem Schutzgas zuvor in der Form noch vorhandenen Verunreinigungen abgepumpt und ausgespült sind.
Bei einem Gießen mit einer Sandform bzw. einer Kokille wird in besonders vorteilhafter Weise vor oder mit Anlegen des Nachverdichtungsdruckes die Form ge- kippt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrich- tung,
Fig. 2 bis 4 verschiedene Stellungen des Kolbensystems gemäß Fig. 1 ,
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung,
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrich- tung, Fig. 7 den Zeitverlauf des im Formhohlraum der Gießform erzeugten Druk- kes, gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 8 den Zeitveriauf des im Formhohlraum der Gießform erzeugten Druk- kes, gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 9 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung.
Die aus Fig. 1 ersichtliche Gießvorrichtung umfaßt einen Schmelzofen 10 mit Beheizung 12, wie beispielsweise einer Heizwickiung, einer induktiven Heizung oder einer Widerstandsheizung, und einen im Schmelzofen 10 angeordneten Schmelztiegel 14. Der Schmelzofen 10 ist mittels eines Deckels 16 und einer entsprechen- den Dichtung 18 druckdicht abgeschlossen. Der so ausgebildete Druckraum 20 ist mittels einer ersten Druckerzeugungsvorrichtung 22, wie beispielsweise einem Druckbehälter, mit einem vorbestimmten Druck beaufschlagbar.
Durch den Deckel 16 hindurch erstreckt sich ein Steigrohr 24, beisp. ein Keramik- Steigrohr, das in eine im Schmelztiegel 14 befindliche Schmelze 26 eintaucht. Das Steigrohr 24 mündet an seinem dem Schmelzofen 10 abgewandten Ende in einen Formhohlraum 28, welcher sich bis in eine Gießform 30, beisp. in eine Kokille, erstreckt. In der Gießform 30 bildet der Formhohlraum 28 bei der dargestellten Ausführungsform einen Hohlraum zum Herstellen eines Kolbens für eine Brenn- kraftmaschine. Es ist jedoch klar, daß in der Gießform 30 jede beliebige Form ausgebildet sein kann. Es ist ferner eine Vakuumpumpe 32 vorgesehen, welche wahlweise die Gießform 30 mit Vakuum beaufschlagt.
Nahe der Einmündung des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 ist eine Er- Weiterung 34 ausgebildet, in welcher ein erster Kolben 36 und ein zweiter Kolben 38 angeordnet sind. Die beiden Kolben 36 und 38 sind konzentrisch derart zueinander angeordnet, daß der erste Kolben 36 als Hohlzylinder ausgebildet ringförmig den zweiten Kolben 38 umgibt. Beide Kolben 36 und 38 sind durch ein nicht näher dargestelltes Antriebssystem entlang der Erweiterung 34 des Formhohlraums 28 in Fig. 1 auf- und abbewegbar.
In der in Fig. 1 dargestellten Stellung befinden sich die beiden Kolben 36 und 38 an ihrem unteren Totpunkt, d.h. die Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 ist freigegeben. Bei entsprechender Erwärmung der Schmelze 26 im Ofen 10 mittels der Heizwicklungen 12 derart, daß die Schmelze 26 in fließfähigem Zustand vorliegt, kann nun durch Anlegen eines Druckes im Druckraum 20 mittels der Druckerzeugungsvorrichtung 22 die Schmelze 26 dazu ge- zwungen werden, im Steigrohr 24 aufzusteigen und unter dem Einfluß des im Druckraum 20 herrschenden Druckes den Formhohlraum 28 langsam auszufüllen. Nachdem der Formhohlraum 28 vollständig mit Schmelze 26 gefüllt ist, beginnt durch Abkühlung der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 ein entsprechender Erstarrungsvorgang. Vor, während und/oder nach dem Befüllen wird zusätzlich mit- tels der Vakuumpumpe 32 ein auf die Gießform 30 wirkendes Vakuum erzeugt.
Nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, in der eine Auskristallisation bzw. Erstarrung der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 vorzugsweise an den Randbereichen zur Gießform 30 stattgefunden hat, wird der ringförmige erste Kolben 36 nach oben in Pfeilrichtung 42 gemäß Fig. 1 bewegt. Durch diese Aufwärtsbewegung des ersten Kolbens 36 kommt dieser in die Stellung gemäß Fig. 2, in der er die Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 verschließt. Während des Verschließens der Einmündung 40 des Steigrohres 24 mittels des äußeren ringförmigen Kolbens 36 ist es von großer Bedeutung, daß die im Formhohl- räum 28 bereits vorhandene Schmelze 26 in keiner Weise durch den Kolben 36 bewegt wird. Zu diesem Zweck erfolgt eine zum Kolben 36 gegenläufige Bewegung des zweiten inneren Kolbens 38, so daß das Volumen der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 trotz der Aufwärtsbewegung des ersten Kolbens 36 im wesentlichen konstant bleibt und keine Bewegung der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 erfolgt.
In der in Fig. 2 dargestellten Stellung ist die Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 durch den ersten ringförmigen Kolben 36 vollständig und druckdicht verschlossen. Nunmehr kann in einem weiteren Schritt der Aufbau ei- nes Nachverdichtungsdruckes in dem Formhohlraum 28 erfolgen, wobei durch den Verschluß mittels des ersten Kolbens 36 dieser Nachverdichtungsdruck nicht in das Steigrohr 24 und diesem vorgeschaltete Komponenten zurückwirken kann. Das Steigrohr 24 ist somit vor dem nachfolgend im Formhohlraum 28 erzeugten Nachverdichtungsdruck geschützt. Zum Erzeugen des Nachverdichtungsdruckes wird der zweite innere Kolben 38 in Pfeilrichtung 44 gemäß Fig. 2 und 3 nach oben verschoben. Hierdurch wird aufgrund der entsprechenden Volumenverringerung des Formhohlraums 28 ein hoher Nachverdichtungsdruck erzeugt. Da der Formhohlraum 28 ansonsten mit keinen beweglichen, druckvariablen oder druck- instabilen Teilen mehr verbunden ist, wie beisp. dem Steigrohr 24 oder dem Ofen 10, ergeben sich auch keine unerwünschten Schwankungen des Nachverdichtungsdruckes im Formhohlraum 28. Die Position des zweiten Kolbens 38 kann sehr genau eingestellt und gehalten werden, so daß sich ein sehr genau vorbestimmbarer und besonders gut über einen längeren Zeitraum konstant haltbarer Nachverdichtungsdruck im Formhohlraum 28 ergibt. In der Folge wird ein besonders homogenes und gleichmäßiges Gefüge in dem so unter dem hohen Nachverdichtungsdruck stehenden Werkstück in der Gießform 30 erzielt.
Fig. 4 zeigt beispielhaft die obere Endstellung für den zweiten Kolben 38, in der ein vorbestimmter Nachverdichtungsdruck im Formhohlraum 28 herrscht. Unter der Einwirkung dieses hohen und konstanten Nachverdichtungsdruckes erstarrt die Schmelze 26 durch Abkühlung homogen und dicht im Formhohlraum 28 unter Ausbildung des herzustellenden Werkstückes.
Die aus Fig. 5 ersichtliche abgewandelte Ausführungsform der Gießvorrichtung zeigt eine Antriebsvorrichtung 50 für die beiden Kolben 36 und 38. Hierbei ist in der Formhohlraumerweiterung 34 unterhalb des ersten Kolbens 36 ein erster Druckraum 52 angeordnet. Der zweite Kolben 38 umfaßt eine Kolbenstange 54, welche sich durch den Boden 56 des ersten Kolbens 36 und durch den ersten Druckraum 52 hindurch erstreckt. An der Kolbenstange 54 ist ferner ein dritter Kolben 58 angeordnet, welcher einen Hohlraum 60 in einen zweiten Druckraum 62 und einen dritten Druckraum 64 teilt. Ein Kompressor oder Hydraulikaggregat 66 u.a. ist über Ventile 68, 70 und 72 jeweils mit den Druckräumen 52, 62 und 64 verbunden. Nach dem Füllen des Formhohlraums 28 mit Schmelze 26 wird, wie vorangehend beschrieben, der erste ringförmige Kolben 34 in Pfeilrichtung 42 nach oben verfahren, um die Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 zu ver- schließen. Hierzu werden die Ventile 68 und 70 geöffnet, und der Kompressor oder das Hydraulikaggregat 66 setzt die Druckräume 52 und 62 unter Druck. Durch den Druck im ersten Druckraum 52 wird der erste Kolben 36 durch den am Boden 56 anstehenden Druck nach oben verschoben. Gleichzeitig sorgt der Druck im zweiten Druckraum 62 dafür, daß der Kolben 58 im Hohlraum 60 und somit über die Kolbenstange 54 der zweite Kolben 38 gegenläufig zum ersten Kolben 36 nach unten verschoben wird. Hierbei sind die Flächen des Bodens 56 und des Kolbens 58 derart gewählt, daß durch die gegenläufige Verschiebung der Kolben 38 und 36 beim Verschließen der Einmündung 40 des Steigrohres 24 das Volumen im Formhohlraum 28 konstant bleibt, so daß während des Schließens der Einmündung 40 mit dem ringförmigen Kolben 36 die Schmelze 26 im Formhohlraum 28 vollständig bewegungsfrei bleibt. Auf diese Weise wird der Erstarrungsvorgang der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 durch das Verschließen der Einmündung 40 in keiner Weise beeinträchtigt.
Nachdem der erste Kolben 36 in seiner Verschlußstellung angekommen ist (Fig. 2) werden die Ventile 68 und 70 geschlossen und der dritte Druckraum 64 des Hohlraumes 60 mittels des Kompressors 66 über das Ventil 72 unter Druck gesetzt. Dadurch baut sich im vom Steigrohr 24 abgeschlossenen Formhohlraum 28 ein Nachverdichtungsdruck auf, da durch den auf den Kolben 58 wirkenden Druck im dritten Druckraum 64 über die Kolbenstange 54 der zweite Kolben 38 nach oben in Pfeilrichtung 44 gedrückt wird. Zum Zurückstellen des ersten Kolbens 36 in seine Ausgangsposition ist eine Entlüftungsvorrichtung 74 vorgesehen. Das Zurückstellen des zweiten Kolbens 38 erfolgt durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Ventile 70 und 72 mit entsprechender Druckbeaufschlagung des zweiten Druckraumes 62 mittels des Kompressors 66.
Bei der weiterhin abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 6 sind die beiden Kolben 36 und 38 nicht konzentrisch, sondern voneinander getrennt angeordnet. Der erste Kolben 36, welcher zum Verschließen des Steigrohres 24 dient, ist in der Formhohlraumerweiterung 34 angeordnet und L-förmig ausgebildet. Der zweite Kolben 38 ist in einer zusätzlichen Formhohlraumerweiterung 80 angeordnet. Der erste Kolben 36 ist in Pfeiirichtung 42 verschiebbar, und der zweite Kolben 38 ist in Pfeilrichtung 44 verschiebbar. Zum Verschließen der Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 wird der erste Kolben 36 in Fig. 6 nach oben verschoben. Durch die L-förmige Ausgestaltung des ersten Kolbens 36 ist verhindert, daß dieser Kolben 36 in Schließstellung bezüglich der Einmündung 40 den Formhohlraum 28 voll verschließt. Stattdessen gewährleistet die L-Form des ersten Kolbens 36 einen verbleibenden Hohlraum im Bereich einer Einmün- düng 82 der zusätzlichen Formhohlraumerweiterung 80. Wie schon voranstehend für das Kolbensystem gemäß den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 erläutert, bewegt sich der zweite Kolben 38 bei einer entsprechenden Schließbewegung des Kolbens 36 in Fig. 6 in Pfeilrichtung 44 nach rechts, um während des Schließvorganges ein absolutes Stillstehen der Schmelze im Formhohlraum 28 zu gewähr- leisten. Nach Vollendung des Schließvorganges fährt dann der Kolben 38 entsprechend entgegengesetzt in Fig. 6 in Pfeilrichtung 44 nach links und erzeugt einen entsprechenden Nachverdichtungsdruck im Formhohlraum 28, welcher durch den Verschluß mittels des ersten Kolbens 36 vom Steigrohr 24 abgeschottet ist.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist ferner in besonders vorteilhafter Weise zum Trennen von Form und Schmelzraum vor dem Füllen des Formhohlraumes mit Schmelze einsetzbar, wobei die Trennung, wie in Fig. 6 dargestellt, vorgenommen wird. Hierbei liegt das Ziel nicht in erster Linie darin, das Steigrohr 24 vor hohen Nachverdichtungsdrücken zu schützen, sondern jn der Abschottung der Form 30 vom Druckraum 20. Dies ist in vorteilhafter Weise beim Gießen von Magnesium oder anderen leicht brennbaren Legierungen, wie beispielsweise Al-Li (Aluminium- Lithium), einsetzbar. Beim Gießen von beispielsweise Magnesium mit einem Niederdruckgießverfahren ergibt sich nämlich das Problem, daß der Formraum nicht immer unter Schutzgas gesetzt ist, was durch hohe Affinität der Magnesiumschmelze oder anderer zuvor erwähnter Schmelzen zu einer Brandgefahr und Verunreinigungen im herzustellenden Bauteil führt. Ein weiteres Problem ist das Gießen mittels eines Niederdruckofens in eine Sandform, wobei ein im Sand der Sandform befindliches Gas mit der Schmelze reagieren kann. Daher wird, um dem entgegenzuwirken, erfindungsgemäß folgendermaßen vorgegangen:
1. Aussetzen der Schmelze in der Gießform einem Schutzgas, 2. Verfahren des Kolbens 36 in Schließstellung derart, daß der Formraum vom Schmelzofen getrennt ist,
3. Ausbilden eines Vakuums im Formraum und anschließendes Fluten des Formraumes mit Schutzgas,
4. Zurückfahren des Kolbens 36 sowie Einsetzen der Formfüllung und 5. optionales Nachverdichten nach Beendigung der Formfüllung.
Dieses Verfahren ist sowohl bei metallischen Dauerformen mit Sandkernen als auch bei anderen Einlagen sowie bei Sandformen anwendbar. Im Falle der Sandform wird in einer vorteilhaften Weiterbildung das Sandpaket durch eine mit Schutzgas geflutete Haube bedeckt
Eine anderes bevorzugt mit der Ausführungsform gemäß Fig. 6 auszuführendes Verfahren betrifft ein neuartiges Gegendruckgießverfahren. Hierbei fährt der Kolben 36 in Schließstellung in Richtung Gießform 30 und trennt dadurch den Form- hohlraum 28 vom Ofen 10 vor der Formfüllung ab. Nun werden bevorzugt im Formhohlraum 28 und im Ofenraum 20 zwei unterschiedliche Drücke aufgebaut. Dies erfolgt beispielsweise jeweils durch Anlegen eines Über- oder Unterdruckes im Formhohlraum 28 und/oder im Ofenraum 20 derart, daß im Ofenraum 20 ein relativ höherer Druck als im Formhohlraum 28 vorherrscht. Zur eigentlichen Formfüllung fährt der Kolben 36 zurück, d.h. in *Fig. 6 nach unten, und hebt die Trennung zwischen Form 30 und Schmelzraum 20 auf. Bei diesem neuartigen Gegendruckgießverfahren wird der Differenzdruck zwischen Form 30 und Schmelzraum 20 beliebig, aber in geeigneter Weise an die jeweilige Schmelze 26 und das herzustellende Werkstück angepaßt gewählt, wobei die Höhe des Diffe- renzdruckes die Geschwindigkeit der Formfüllung bestimmt. Es werden, je nach Bauteil, sowohl langsame als auch schnelle Formfüllungszeiten realisiert. Der Unterschied zu bisher bekannten Gegendruckgießverfahren besteht darin, daß bereits vor der eigentlichen Füllung des Formhohlraumes 28 mit Schmelze 26 ein Differenzdruck zwischen Form 30 und Schmelzraum 20 hergestellt wird und im Formhohlraum 28 der Druck niedriger als im Schmelzraum 20 ist.
Zusammenfassend ist die Ausführungsform gemäß Fig. 6 mit dem L-förmigen Kolben als Nachverdichtungsvorrichtung, als Trennvorrichtung von Formhohlraum 28 und Ofen 10, mit dem Ziel, beispielsweise Magnesium mittels eines Niederdruckverfahrens zu gießen, sowie als Trennvorrichtung von Formhohlraum 28 und Ofensystem 10, mit dem Ziel, ein Gegendruckgießverfahren zu realisieren, einsetzbar. Bei all diesen Varianten ist die Funktion des Nachpressens wahlweise zusätzlich möglich.
Bei allen drei beschriebenen Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 6 ist das Steigrohr 24 im Gegensatz zu bekannten Gießvorrichtungen aus der Hauptachse des Systems heraus versetzt angeordnet und mündet seitlich in den Formhohlraum 28 ein. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch die Antriebsvorrichtung 50 für die Kolben 36, 38 und der Ofen 10 sowie die erste Druckerzeugungsvorrichtung 22 in einer Ebene nebeneinander angeordnet werden können, so daß sich ein geringer Raumbedarf und eine kompakte Bauweise ergeben.
Anhand der grafischen Darstellung von Druckverläufen über der Zeit gemäß Fig. 7 und 8 wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Wie sich aus Fig. 7 ergibt, wird in einem Zeitraum ti der Druck im System langsam vom Druck po auf einen vorbestimmten Druck pi erhöht. Dies entspricht der Druk- kerhöhung mittels der ersten Druckerzeugungsvorrichtung 22 im Druckraum 20. In dieser Zeit wird Schmelze 26 aus dem Ofen 10 über das Steigrohr 24 in den Formhohlraum 28 unter dem Gasdruck "p" im Schmelzofen befördert. Diese Zeitspanne ti wird nachfolgend als Formfüllungszeit bezeichnet. Am Ende der Formfüllungszeit ti ist der Formhohlraum 28 vollständig mit der Schmelze 26 aufgefüllt. Im nachfolgenden Zeitraum t2 wird für eine beginnende Kristallisation bzw. Erstarrung der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 der Druck pi für eine vorbestimmte Zeit t2 gehalten. Die erste Auskristallisation bzw. Erstarrung durch Abkühlung erfolgt dabei in bevorzugter Weise an den Grenzflächen der Schmelze 26 zu den Formhohlraum 28 umgrenzenden Innenflächen der Gießform 30. In einem nach- folgenden Zeitraum t$ wird der erste Kolben 36 in Schließrichtung bewegt, um die Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 zu verschließen. Wie sich unmittelbar aus dem Diagramm ergibt, bleibt der Druck konstant auf p stehen. Dies wird dadurch erzielt, daß der zweite Kolben 38 entsprechend gegenläu- fig zum ersten Kolben 36 bewegt wird, so daß sich keine Druckänderung und keine Volumenänderung im Formhohlraum 28 ergibt. Dadurch bleibt die bereits im Formhohlraum 28 befindliche Schmelze 26 während des Schließvorganges, also während der Zeit U, bewegungslos.
In einem nachfolgenden Zeitraum erfolgt durch eine zur vorangegangenen Bewegung entgegengesetzte Bewegung des zweiten Kolbens 38 eine Druckerhöhung im Formhohlraum 28, wobei am Ende des Zeitabschnittes t» der endgültige Nachverdichtungsdruck p2 erreicht ist. Dieser Nachverdichtungsdruck p2 wird über den Zeitraum ts während der endgültigen Auskristallisation bzw. Erstarrung der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 gehalten. Es ist aus Fig. 7 unmittelbar ersichtlich, daß der Nachverdichtungsdruck p2 wesentlich höher gewählt werden kann als der Formfüllungsdruck pi, da ab dem Ende des Zeitraumes t3 bzw. dem Beginn des Zeitraumes U das Steigrohr 24 völlig vom Formhohlraum 28 abgeschlossen ist, so daß der im Formhohlraum 28 mittels des zweiten Kolbens 38 aufgebaute Nachverdichtungsdruck nicht auf das Steigrohr 24 und entsprechend vorgelagerte Komponenten rückwirken kann. Im Zeitraum ts erfolgt somit eine Kristallisation bzw. Erstarrung der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 unter dem Nachverdichtungsdruck p2, wodurch ein entsprechend homogenes und gleichmäßiges Gefüge des Werkstoffes erzielt wird. Im abschließenden Zeitabschnitt tβ wird der Druck auf den Ausgangsdruck zurückgefahren, und es erfolgt eine weitere Abkühlung der Schmelze ohne Druck.
Fig. 8 zeigt einen analogen Druckveriauf über der Zeit gemäß einer zweiten Ausführungsform. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 7 wird hier zusätz- lieh die Gießform 30 mittels der Vakuumpumpe 32 im Zeitraum to und im Zeitraum ti mit einem Vakuum Vi beaufschlagt. Dieses Vakuum Vi entspricht im wesentlichen einem Druck, welcher kleiner ist als der Ausgangsdruck p0. Hierbei wird bereits zu einem Zeitpunkt to das Vakuum Vi angelegt, zu dem noch keine Druckerhöhung im Schmelzofen 10 für eine Formfüllung über das Steigrohr 24 erfolgt. Stattdessen initiiert das Vakuum ein Ansaugen von Schmelze 26 aus dem Schmelzofen 10, so daß die Befüllung des Formhohlraumes 28 beginnt. Dieser Zeitverlauf des Vakuums V ist lediglich beispielhaft. Es ist auch möglich, das Vakuum V! lediglich zum Zeitraum to oder lediglich zum Zeitraum ti oder ebenfalls in den übrigen Zeiträumen t2 bis tβ wahlweise anzulegen. Das Vakuum Vi unterstützt dabei den Transport von Schmelze 26 aus dem Schmelztiegel 14 im Ofen 10 über das Steig-rohr 24 in den Formhohlraum 28 hinein. Durch entsprechende Wahl der Stärke des Vakuums Vi und durch einen entsprechenden Zeitveriauf zusammen mit einer entsprechenden Wahl der Werte der Drücke po, pi und p2 und eines ent- sprechenden Zeitveriaufes des Druckes p im Formhohlraum 28 ist somit eine genau vorbestimmte Befüllung des Formhohlraums 28 mit der Schmelze 26 möglich.
Die in Fig. 9 dargestellte vierte Ausführungsform der Gießvorrichtung unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 6 im wesentlichen dadurch, daß die beiden Kolben 36, 38 beidseits einer Maschinenplatte 84 angeordnet sind. Durch die sich daraus ergebende Beabstandung der beiden Kolben 36, 38 ist die L-förmige Ausbildung des ersten Kolbens 36 entbehrlich. Ferner ist diese Vorrichtung derart ausgebildet, daß die Form 30 oberhalb der Maschinenplatte 84 kippbar ist. Nach der Füllung des Formhohlraumes 28 mit Schmelze verschließt der erste Kolben 36 das Keramiksteigrohr 24 und es erfolgt die Nachverdichtung mittels des zweiten Kolbens 38 in der bereits beschriebenen Weise. Zur Nachverdichtung wird zusätzlich die Form 30, welche oberhalb der Maschinenplatte 84 angeordnet ist, gekippt Diese Kippbarkeit wird durch entsprechende bewegliche Maschinenteile erzielt. Das Kippen während des Nachverdichtens ist besonders bei Gießvorrichtun- gen mit Sandanlage bzw. Kokillenguß vorteilhaft. Hierbei kippt ein Oberteil der Gießvorrichtung mit einer Sandform, wobei beispielsweise die Form weiter transportiert und eine nächste Form übernommen wird.
Durch die Nachverdichtung ergibt sich eine verkürzte Zykluszeit, da das Metall an die Wände der Form 30 gedrückt wird. Dies führt zu einem schnelleren Wärmeübergang. Hierdurch ergibt sich eine turbulenzarme Formfüllung, da die Nachverdichtung erst nach vollständiger Formfüllung einsetzt. Diese Technologie bietet u.a. ein großes Potential für die Herstellung von Verbundbauteilen, die durch beispielsweise Infiltration einer Vorform (preform) aus metallischem oder keramischem Material hergestellt werden. Ein Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren oder Bremsscheiben für Eisenbahnzüge. Eine besonders vorteilhafte Erweiterung des erfindungsgemäßen Gießverfahrens ergibt sich aus einer Kombination von Niederdruckgießen, Gegendruckgießen und Vakuumgießen. Die Erfindung kann sowohl bei metallischen Dauerformen als auch verlorenen Sandformen oder anderen Gießformen eingesetzt werden. Ein wesentliches Element der Erfindung liegt dabei darin, daß zunächst die Einmündung 40 des Steigrohrs 24 dem äußeren Kolben 36 überfahren wird und somit abgeschlossen ist. Damit dabei kein Druck auf die bereits im Formhohlraum 28 befindliche Schmelze 26 ausgeübt wird, fährt gleichzeitig der innere Kolben 38 genau so weit entgegengesetzt zum ersten Kolben 36, daß kein Druck auf die Schmelze 26 ausgeübt wird und somit jedes Voiumenelement der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 an seinem Ort verbleibt. Die darauffolgende Nachverdichtung kann somit ohne Beschädigung des Steigrohres 24 durch entsprechende Bewegung des zweiten Kolbens 38 erfolgen. Gegebenenfalls wird der Prozeßablauf durch das Vakuumziehen (siehe Fig. 8) unterstützt.
Erfindungsgemäß ist es für bestimmte Anwendungsfälle weiterhin auch möglich, anstelle der beschriebenen beiden Kolben 36, 38, von denen der erste Kolben 36 die Funktion des Verschließens des Steigrohres 24 erfüllt und der zweite Kolben 38 die Funktion des Nachverdichtens der Schmelze 26 ausübt, lediglich einen einzigen Kolben vorzusehen, der die beiden vorerwähnten Funktionen übernimmt. Dies erfolgt dann derart, daß dieser einzige Kolben beim Verfahren in seine Endstellung zuerst das Steigrohr 24 allmählich verschließt, d.h. den Formhohlraum 28 vom Steigrohr 24 bzw. vom Ofen 10 trennt, und sodann im Verlauf seiner weiteren Bewegung die Nachverdichtung durchführt, d.h. den erwünschten Homogenisierungsdruck auf die im Formhohlraum 28 befindliche Schmelze ausübt.
Schließlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, das Nachverdichtungsaggregat - sei es nun durch die beschriebenen zwei Kolben 36, 38 oder durch den erwähnten einzigen Kolben gebildet - derart einzusetzen, daß die Nachverdichtung nicht erst nach der vollständigen Formfüllung und dem Verschließen des Steigroh- res 24 begonnen wird, sondern daß der Kolben bzw. die Kolbeneinheit 36, 38 schon vor der vollständigen Formfüllung verfahren wird, um hierdurch mittels des bzw. der Kolben selbst die Form 30 teilweise oder auch ganz zu füllen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum druck- und/oder vakuumgestützen Gießen von Werkstük- ken, insbesondere zum Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, mit einer ersten Druckerzeugungsvorrichtung (22), welche in einem Schmelzofen (10), in dem eine Schmelze (26) angeordnet ist, einen vorbestimmten Druck einstellt, wobei ein in die Schmelze (26) tauchendes Steigrohr (24), insbesondere ein Keramiksteigrohr, mit einem Formhohlraum (28) einer Gießform (30) verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Verschlußmittel (36) vorgesehen ist, welches das Steigrohr (24) stromab zum Formhohlraum (28) wahlweise druckdicht abschließt, und daß eine zweite Druckerzeugungsvorrichtung (38) vorgesehen ist, welche bei verschlossenem Steigrohr (24) im Formhohlraum (28) einen vorbestimmten Nachverdichtungsdruck einstellt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußmittel ein Kolben (36) ist, der stromab einer Einmündung (40) des Steigrohres (24) in einer Erweiterung (34) des Formhohlraumes (28) derart verschiebbar angeordnet ist, daß er wahlweise die Einmündung (40) des Steigrohres (24) in den Formhohlraum (28) verschließt oder freigibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Druckerzeugungsvorrichtung ein Kolben (38) ist, der stromab der Einmündung (40) des Steigrohres (24) in einer Erweiterung (34;80) des Formhohlraumes (28) derart verschiebbar angeordnet ist, daß er wahlweise einen Nachverdichtungsdruck auf die im Formhohlraum (28) befindliche Schmelze (26) ausübt
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Kolben (36,38) in derselben Erweiterung (34) des Formhohlraumes (28) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (38) getrennt vom ersten Kolben (36) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (38) in einer gesonderten Erweiterung (80) des Formhohlraumes (28) angeordnet ist, welche benachbart zum Steigrohr (24), insbesondere gegenüber der Einmündung (40) des Steigrohres (24), in den Formhohlraum (28) mündet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der er- ste Kolben (36) derart L-förmig ausgebildet ist, daß ein L-Schenkel das
Steigrohr (24) verschließt, wobei gleichzeitig im Formhohlraum (28) benachbart oder gegenüber der verschlossenen Steigrohreinmündung (40) ein Hohlraum im Bereich der Einmündung (82) der Formhohlraumerweiterung (80) des zweiten Kolbens (38) verbleibt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußmittel (36) für das Steigrohr (24) und die zweite Druckerzeugungsvorrichtung (38) durch einen einzigen gemeinsamen Kolben gebildet sind, der die beiden Funktionen des Trennens des Formhohlraumes (28) vom Schmelzofen (10) und des Nachverdichtens der Schmelze (26) im
Formhohlraum (28) in sich vereint.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (24) aus einer Hauptachse der Vorrichtung ver- setzt angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Druckerzeugungsvorrichtung (22) ein Druckbehälter und/oder ein Kompressor und/oder eine Vakuumpumpe ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (30) eine Dauerform oder eine verlorene Form, insbesondere eine Kokille oder eine Sandgußform ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hergestellten Werkstücke Kolben, Bremsscheiben, Pleuel, Felgen u.a. oder Bauteile sind, mit Infiltration und/oder Gradientenstruktur und/oder lokal verstärkten Bereichen.
13.- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Maschinenplatte (84) zwischen der Form (30) und dem Schmelzofen (10) aufweist, wobei das Verschlußmittel (36) bzgl. der Maschinenplatte (84) ofenseitig und das zweite Druckerzeugungsmittel (38) bzgl. der Maschinenplatte (84) formseitig angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (30) oberhalb der Maschinenplatte (84) kippbar gelagert ist.
15. Verfahren zum Herstellen von Werkstücken mittels druck- und/oder vakuumgestütztem Gießen, insbesondere mittels Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, wobei mittels einer ersten Druckerzeugungsvorrichtung in einem Schmelzofen, in dem eine Schmelze angeordnet ist, ein vorbestimmter Druck zum Füllen eines Formhohlraumes einer Gießform über ein in die Schmelze tauchendes Steigrohr, insbesondere ein Keramiksteigrohr, erzeugt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Füllen des Formhohlraumes das Steigrohr vom Formhohlraum druckdicht abgetrennt und in dem Form- hohlraum ein Nachverdichtungsdruck erzeugt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform vor dem, zu Beginn und/oder nach dem Füllen einem vorbestimmten Unterdruck, insbesondere einem Vakuum, ausgesetzt wird.
17. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 15 oder 16, zum Herstellen von Werkstücken mittels druck- und/oder vakuumgestütztem Gießen, insbesondere mittels Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, wobei mittels einer ersten Druckerzeugungsvorrichtung in einem Schmelzofen, in dem eine Schmelze angeordnet ist, ein vorbestimmter Druck zum Füllen eines Formhohlraumes einer Gießform über ein in die Schmelze tauchendes Steigrohr, insbesondere ein Keramiksteigrohr, erzeugt wird, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Schritte vor dem Füllen des Formhohlraumes,
(a) Aussetzen der Schmelze in der Gießform einem Schutzgas,
(b) druckdichtes Abtrennen des Steigrohres vom Formhohlraum,
(c) Ausbilden eines Vakuums im Formraum und anschließendes Fluten des Formraumes mit Schutzgas, (d) Verbinden des Steigrohres mit dem Formhohlraum.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder mit Anlegen des Nachverdichtungsdruckes die Form gekippt wird.
19. Gegendruckgießverfahren, welches mit einer Gießvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt wird, g e k e n n z e i c h n e t d u r ch,
(a) Verschieben des Verschlußmittels vor dem Füllen des Formhohlrau- mes mit Schmelze in Schließrichtung,«
(b) Aufbauen eines vorbestimmten Differenzdruckes zwischen Formhohlraum und Schmelzofen, wobei der Druck im Schmelzofen höher ist als der Druck im Formhohlraum, und
(c) Verschieben des Verschlußmittels in Offenstellung, so daß der Diffe- renzdruck durch die nunmehr geöffnete Verbindung zwischen
Schmelzofen und Formhohlraum letzteren mit Schmelze füllt.
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