WO2021255023A1 - Aktuator für eine gussform zur herstellung metallischer bauteile - Google Patents

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WO2021255023A1
WO2021255023A1 PCT/EP2021/066108 EP2021066108W WO2021255023A1 WO 2021255023 A1 WO2021255023 A1 WO 2021255023A1 EP 2021066108 W EP2021066108 W EP 2021066108W WO 2021255023 A1 WO2021255023 A1 WO 2021255023A1
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WO
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molten metal
magnetic field
actuator
casting mold
electrodes
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PCT/EP2021/066108
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English (en)
French (fr)
Inventor
Federico GARCIA-BRAGADO
Ernst NEUNTEUFL
Simon Frank
Stefan Gneiger
Original Assignee
Voestalpine Additive Manufacturing Center 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
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/02—Use of electric or magnetic effects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D15/00—Casting using a mould or core of which a part significant to the process is of high thermal conductivity, e.g. chill casting; Moulds or accessories specially adapted therefor

Definitions

  • the invention relates to an actuator for a casting mold for producing a metallic component as well as a device and a method for producing a metallic component.
  • grain-refining agents e.g. TiB particles
  • TiB particles act as crystallization nuclei, increasing the number of grains and thereby limiting grain growth.
  • Disadvantages are the high costs and the comparatively low efficiency (only about 15% reduction in grain size).
  • the mechanical properties of a component cannot be influenced locally, but only over the entire component.
  • An actuator for a casting mold for producing a metallic component can accordingly have at least two electrodes in contact with the metal melt, which are used to generate a local, pulsating electrical field in a metal melt located in the casting mold and to introduce a pulsating current into the metal melt serve.
  • the grain-refining effect of a high pulsating electrical field (i.e. a pulsating current in the metal melt) on the grain growth is presumably based on the different electrical conductivity of dendrites and the surrounding metal melt, which at the tips of the dendrites generate too much heat and thus lead to the Grain growth leads to slowing melting of the dendrite tips. Melting delays the constitutional undercooling of the metal melt, which causes dendritic growth.
  • the formation and growth of a dendrite is defined by the solidification-related concentration gradient in the vicinity of its phase interface and the temperature regime. This dependency is described by the concept of constitutional hypothermia.
  • a weak, unsteady local flow achieves a concentration and temperature equalization in the vicinity of the dendrite. This reduces the constitutional hypothermia and the growth of the dendrite is hindered or slowed down.
  • the heterogeneous nucleation is pushed back in favor of a homogeneous nucleation, which results in grain refinement in the later cast component. Properties of the cast component that are as isotropic as possible can be made possible.
  • the actuator also has a magnetic field coil for generating a local magnetic field in the molten metal, the magnetic field coil being arranged between the at least two electrodes when the actuator is in operation.
  • the grain growth can be further influenced by superimposing the pulsating electric field with a static magnetic field or an alternating magnetic field.
  • the magnetic field generated by the current flow in the molten metal itself can interact with the externally applied magnetic field generated by the magnetic field coil and thereby generate a repulsion that forms a field-dependent flow in the molten metal.
  • the superimposition of the pulsating electric field with a static magnetic field or an alternating magnetic field makes it possible to achieve the desired grain refinement even with lower electric fields (currents) than in the case without a magnetic field, which makes it easier to comply with electromagnetic compatibility.
  • the at least two electrodes and the magnetic field coil can be arranged during operation of the actuator in such a way that the magnetic field runs essentially perpendicular to the electrical field.
  • different effects in the molten metal can be achieved in the molten metal through the interaction of the fields and depending on the control of the electrodes and the magnetic field coil through electromagnetic induction, which will be explained in more detail below.
  • the actuator can have a housing which accommodates the magnetic field coil and which is provided for installation in a wall recess of the casting mold.
  • the housing (which can optionally also contain the at least two electrodes) to be firmly anchored in or on the casting mold.
  • the housing can have a cylindrical shape, as a result of which the wall recess of the casting mold can be designed as a simple bore into which the housing is inserted.
  • a cooling system that uses a coolant can be accommodated in the housing. This makes it possible to counteract undesired heating of surrounding wall areas of the casting mold, particularly with high magnetic field strengths.
  • a device for producing a metallic component can have a casting mold with a cavity for casting the metallic component and an actuator of the type described inserted into the casting mold.
  • the actuator inserted into the mold allows specific areas of the metallic component to be improved in terms of their mechanical properties.
  • Such a closed casting mold with a cavity for casting the metallic component can have at least two mold halves, between which the cavity is formed, from which the metallic component is removed after the mold halves have been opened. Due to the (closed) cavity, pressure can possibly also be exerted on the melt in the casting mold.
  • the casting mold and the actuator can have a modular design, ie the actuator can be combined with a large number of different casting molds. It is of course also possible to use several actuators that are provided for specific zones of the component. For a wide variety of component shapes and mold concepts, cast components with mechanical properties can thus be created in a simple manner. fen, which are locally different and adapted to the purpose of the component.
  • the cavity of the casting mold can define a component thickness and a surface shape of the component, the actuator being arranged adjacent to a local component thickening.
  • Thickened components i.e. component areas with locally thicker walls, are required, for example, for connection zones (e.g. screw or plug-in couplings, flanges, etc.) of the components. In such areas, the cast component cools down more slowly, so that the grains are larger here in particular and reduced mechanical properties can occur.
  • connection zones e.g. screw or plug-in couplings, flanges, etc.
  • the casting mold can have at least two bores for the at least two electrodes.
  • each electrode can be accommodated in a bore of the casting mold, a direct electrical contact of the electrodes with the molten metal being made possible.
  • the casting mold can furthermore have at least one central recess, for example a bore for a housing of a magnetic field coil of the actuator, the at least two electrodes of the actuator being arranged on both sides of the central recess.
  • Embodiments of the invention can be used in a wide variety of casting molds, including high-pressure casting molds, low-pressure casting molds or even permanent mold casting molds (also known as gravity casting molds). Since the actuator is pressurized is constantly anchored in the mold, mecanicsbei games of the invention are particularly well suited for high pressure casting, in particular for aluminum die casting (high pressure die casting). Conventional actuators, which are based on direct mechanical excitation or have a membrane for transmitting vibrations, are only conditionally suitable for high-pressure casting due to the high working pressures and high wear.
  • a casting mold can be filled with a molten metal.
  • a local pulsating electrical field is generated by at least two electrodes in contact with the metal melt, in order to introduce a pulsating current into the metal melt.
  • a power of 30 W (or possibly also 50 W) to 5 kW, preferably 30 W to 1 kW, particularly preferably 30 W to 200 W can be coupled into the metal melt and / or it can, for example, se pulsating electric fields with a pulse frequency between 1 and 2500 Hz, preferably between 40 Hz and 2000 Hz, particularly preferably between 40 Hz and 500 Hz, who are used.
  • a pulse frequency between 1 and 2500 Hz, preferably between 40 Hz and 2000 Hz, particularly preferably between 40 Hz and 500 Hz, who are used.
  • Higher frequencies for example up to 5000 Hz or above, are also possible and may also be helpful to achieve the effect according to the invention (grain refinement), but require greater expenditure on equipment and higher costs.
  • cavitation i.e.
  • a current amplitude of the pulses can be, for example, between 2 and 1000 A, preferably between 50 and 800 A, particularly preferably between 90 and 500 A, or even higher. Particularly when using a magnetic field superimposed on the current flow, even smaller current amplitudes of a maximum of 800 A, 600 A, 400 A, 200 A or 100 A can be sufficient to achieve effective grain refinement.
  • Preferred surface current densities result from the cross-sectional dimensions of the electrodes, which for example can be between a few square millimeters (eg 10 mm 2 ) and more than 100 or 200 mm 2 .
  • the voltage amplitude can be, for example, between 1 and 10 V and is mainly determined by the contact resistances between the electrodes and the molten metal.
  • Embodiments of the method also include generating a local magnetic field in the metal melt, the local pulsating electric field and the local magnetic field superimposing one another.
  • the magnetic field can, for example, be used to couple a power of 10 W to 10 kW, preferably 10 W to 1 kW, especially preferably 20 W to 500 W into the molten metal and / or the magnetic field can, for example, have an alternating current frequency between 5 and 25000 Hz, preferably between 30 and 3000 Hz, particularly preferably between 30 and 80 Hz.
  • the local pulsating electric field and optionally the local magnetic field can be generated in the area of a local wall thickening of the metallic component.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an actuator with a plurality of electrodes and an optional magnetic field coil for a casting mold.
  • Figure 2 shows another embodiment of an Aktua sector with two magnetic field coils.
  • Figure 3 illustrates the directions of the electric field, the magnetic field and a movement of the molten metal.
  • FIG. 4 illustrates the effect of a pulsating electric field on a dendrite of the molten metal.
  • FIG. 5 illustrates the effect of a magnetic field on dendrites in the molten metal.
  • FIG. 6 shows a perspective sectional view of an exemplary embodiment of an actuator with a magnetic field coil accommodated in a housing.
  • FIG. 7 shows an example of a device for producing a metallic component with an actuator inserted into the casting mold.
  • FIG. 8 shows a perspective partial sectional view of an exemplary embodiment of a device for producing a metallic component with an actuator inserted into the casting mold.
  • FIG. 9 shows an example of an arrangement of electrodes and a magnetic field coil in the direction of view of the cavity wall.
  • FIG. 10 shows a flow diagram in which exemplary processes or stages of a method for producing a metallic component are shown.
  • FIG. 11 shows a diagram in which the application of a molten metal by an actuator is shown as a function of temperature and time.
  • FIG. 12 shows a diagram in which measured grain sizes in the cast component are shown as a function of the distance from the center of the actuator when the actuator is activated and as a reference without its activation.
  • FIG. 13 shows a diagram in which mechanical characteristic values from tensile tests on a cast component with and without an activated actuator are given.
  • Figure 14 shows measured grain size distributions of cast parts that are only excited with magnetic excitation, only with electrical shear excitation or with both magnetic and electrical excitation.
  • FIG. 1 shows an example of an actuator 100 for a casting mold for producing a metallic component.
  • the actuator 100 has at least a first electrode 110_1 and a second electrode 110_2.
  • the two electrodes 110_1 and 110_2 can be controlled electrically in such a way that they generate a pulsating electric field in a molten metal 120.
  • the two electrodes 110_1, 110_2 can be used for this
  • Purpose for example, protrude through a wall 130_1 of a casting mold 130, not shown in detail in FIG. 1, so that they can be in direct electrical contact with the metal melt 120.
  • the two electrodes 110_1, 110_2 can be designed, for example, as electrically conductive contact pins that protrude slightly (e.g. one or more mm) from the wall 130_1 (not shown) in order to ensure reliable electrical contact with the molten metal 120 - even during the solidification of the molten metal 120 (fading phase) - to ensure. That is, via the electrodes 110_1, 110_2 in contact with the molten metal 120, externally generated electrical signal pulses (current pulses) can be introduced directly into the molten metal 120 or passed through it.
  • the diameter of the contact pins can be selected in such a way that, for a given current, a suitably high surface area current density is achieved.
  • the diameter of the pins can be in the range from 3 mm to 12 mm, in particular 6 to 8 mm, and a surface current density in the range from, for example, 1 to 10 A / mm 2 , in particular 2 to 4 A / mm 2, can be generated (for example for a current of about 100 A).
  • the metal melt 120 can be, for example, an aluminum melt, zinc melt, magnesium melt or brass melt, or aluminum-based alloys, zinc-based alloys, magnesium-based alloys or copper-based alloys can be used. Further metals such as bronze, tin, chromium, nickel or other materials can also be present in the molten metal 120 as a base metal or alloy additive.
  • a pulsating electrical voltage By applying a pulsating electrical voltage to the two electrodes 110_1, 110_2, a pulsating electrical field and thereby a pulsating electrical current is generated in the molten metal 120.
  • This external current is introduced directly into the metal melt 120 via the two electrodes 110_1, 110_2 (ie this is not an eddy current induced in the melt, for example by magnetic alternating fields).
  • This externally introduced electrical current flows in the direction of the electrical field, ie from one electrode 110_1 to the other electrode 110_2.
  • the electric field thus has a main component 112 which, at least in some areas, extends essentially parallel to the wall 130_1 of the casting mold 130.
  • An optional polarity change of the applied voltage between the electrodes 110_1, 110_2 also reverses the direction of the electric field and the direction of the current accordingly.
  • the electrodes 110_1, 110_2 can, for example, be passed through bores in the wall 130_1, the passages being electrically insulated from the casting mold (wall 130_1).
  • FIG. 1 also shows an arrangement which comprises a power supply 180 and the actuator 100.
  • the power supply 180 is electrically connected to the electrodes 110_1, 110_2 of the actuator 100 during operation.
  • the power supply 180 generates the signal form (pulses) and provides the power for the signal (e.g. current pulses or voltage pulses).
  • the power supply 180 may be current controlled (i.e., a power source) or voltage controlled (i.e., a voltage source). In the first case, current pulses of a specifiable level are generated; in the second case, a predetermined voltage value is specified as the target variable for the pulse level. Since in the first variant (current-controlled power supply 180) the contact resistances between the electrodes 110_1,
  • the first variant can be preferred.
  • the actuator 100 can furthermore optionally include a magnetic field coil 150.
  • the magnetic field coil 150 can generate a magnetic field in the direction of the magnetic field lines 152 shown by way of example in FIG. 1.
  • the magnetic field lines 152 can be oriented essentially perpendicular to the wall 130_1 in the area close to the wall. With the arrangement shown in FIG. 1, in which the magnetic field coil 150 is arranged between the electrodes 110_1, 110_2, it is sufficient that the electric field and the magnetic field overlap and the field lines 112, 152 cross.
  • a magnetic field of the type shown in Figure 1 can be generated, for example, by a solenoid.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of another example of an actuator 200.
  • the actuator 200 differs from the actuator 100 essentially in that, in addition to the (optional) magnetic field coil 150 on the wall 130_1, another magnetic field coil 250 on one of the wall 130_1 is opposite Wall 130_2 of the casting mold 130 is arranged.
  • the magnetic field power coupled into the molten metal 120 can be strengthened and it can be achieved, for example, that the entire wall thickness of the component is penetrated by a strong magnetic field.
  • FIG. 3 illustrates the direction of the current flow 312 (which corresponds to the direction of the main component of the electric field 112) and, if present, the direction of the magnetic field which is illustrated by the magnetic field lines 152. Furthermore, FIG. 3 also shows the direction 314 of a magnetohydrodynamic flow of the molten metal 120, which can be achieved by superimposing the electric field with the magnetic field. In FIGS. 1 and 2, the direction 314 of the flow points out of the plane of the paper (or when the electric field is reversed into the plane of the paper, see the double arrow in FIG. 2).
  • FIG. 4 uses several schematic representations to illustrate the principle of grain refinement by applying a pulsating electric field to the molten metal 120.
  • the current pulses (I) generated by the pulsating electric field are shown in the upper area of FIG. 4 in relation to time t.
  • a schematic representation of a dendrite 410 is shown which is exposed to the electric field (field lines 112) in the molten metal 120.
  • High electrical field strengths arise at the tips of the dendrite 410 due to the potential difference that is established by the different electrical conductivity in the dendrite crystal (higher conductivity) and the molten metal 120 (lower conductivity).
  • the heating causes the tips to melt, as a result of which the tips are rounded (see FIG. 4, right part, circled tip).
  • the rounding of the tips reduces the surface area of the dendrite 410 and can thus reduce its heat exchange (cooling) with the molten metal 120. This hinders or delays further dendritic growth.
  • the molten metal 120 solidifies in a fine-grained structure, which is more global than the dendritic basic structure and has increased mechanical properties.
  • the lateral area in which this effect occurs can, for example, be equal to or smaller than 150 mm, 100 mm or 50 mm. This means that locally delimited component areas can be influenced particularly well by the application of a high electric field.
  • the pulse frequency can for example be between 1 and 2000 Hz, preferably between 100 and 1000 Hz.
  • the higher the pulse frequency the higher the energy input into the metal melt 120. In practice it has been shown that an output of, for example, 1 to 2 kW per actuator 100, 200 can be sufficient. Higher powers can also be coupled, but require a more expensive power electronics, especially at higher desired pulse frequencies.
  • Triangle pulses are the ideal signal form to achieve the desired effect.
  • the electromagnetic compatibility and shielding of the system cause problems, however, since the external power supply acts as a broadband interferer.
  • Pulse width modulation enables the generation of a pulsed direct current, whose percentage of pulse duration and pause determines the power.
  • the frequency refers to the on / off period.
  • the PWM load share can be between 5% and 95%, for example.
  • PWM signals are easy to generate and control. They were used in the experiments carried out.
  • All signal forms can be operated with reversing pulses, i.e. the direction of the current can be changed, for example, after each pulse (or a pulse train of a certain length).
  • All signal forms can be provided, for example, as a current signal or as a voltage signal.
  • a low power supply 180 (see Figure 1) can be used as the power supply voltage power supply in combination with a frequency generator to switch the power supply 180 on / off.
  • Figure 5 illustrates the effect of an alternating magnetic field on grain growth.
  • the two walls 130_1 and 130_2 of a casting mold and the molten metal 120 located between the walls are shown.
  • an already rigid shell 120_1 forms on the walls 130_1, 130_2, while the metal melt 120 is still liquid in the inner region 120_2.
  • a magnetic field (magnetic field lines 152) forms a flow 514 in the metal melt 120 and in particular at the interface between the solidified shell 120_1 and the still molten interior 120_2, which slows down the dendritic growth.
  • the flow 514 can be both linear and circular in the manner of a stirring movement.
  • the dendrites 410 growing at the interface between the shell 120_1 and the interior 120_2 of the molten metal 120 are deformed or broken off by the flow 514. This means that more time is available for endogenous grain growth, as a result of which a fine-grain, less dendritic structure is created during the solidification process.
  • the alternating magnetic field can, for example, be in the frequency range between 5 and 20,000 Hz or 25,000 Hz.
  • the inductive heating can be reduced by a suitable design of the areas surrounding the magnetic field coil 150, 250 which can limit the maximum achievable frequency (and thus the maximum achievable energy input into the molten metal 120). This undesirable heating can be avoided, for example, by cooling the magnetic field coil 150,
  • non-ferritic steels as casting mold material, for example also in the manner of an insert into the casting mold wall in the vicinity of the magnetic field coil 150, 250 can be counteracted.
  • Austenitic steels or stainless steels (for example with austenite-stabilizing elements such as Cr and / or Ni) can be used as non-ferritic steels.
  • a power input of the magnetic field between 10 W and 10 kW can be sufficient for many purposes.
  • an electromagnetic field By superimposing the pulsating electric field with an alternating magnetic field, an electromagnetic field can be induced, which causes a circular magnetohydro dynamic movement of the molten metal 120 (magnetic stirring).
  • the electromagnetic field induces an electric current in the molten metal, which generates an opposing electromagnetic field. This generates a force that moves the molten metal 120 in the manner of a stirring movement with a small amplitude.
  • the magnetohydrodynamic action on the molten metal 120 can lead to reduced porosity in the cast component, which can be advantageous for the mechanical parameters and for a subsequent heat treatment of the cast component.
  • a movement of the molten metal can also be achieved through a static magnetic field and the feeding of a high pulse current (generated by the pulsating electric field) through the molten metal 120 if the direction of the electric current is switched and / or the direction of the magnetic field in the magnetic field coil 150, 250 is switched. As a result, the direction of flow in the molten metal is reversed alternately.
  • the variation of the magnetic field and / or the current can induce an eddy current near the interface of the growing crystals (dendrites) and thereby generate a movement of the molten metal 120.
  • This movement of the molten metal can be in the range of ultrasonic vibrations, with ultrasound -Vibrations as such, but only a limited (acoustic) depth of penetration into the interior 120_2 of the molten metal 120 would have.
  • the magnetic field coil 150 (250) can be designed in the form of a solenoid 650.
  • the solenoid 650 can have a cylindrical winding 650_1 and a central core 650_2.
  • the solenoid 650 is located, for example, in a housing 660.
  • the housing 660 can be installed in a wall recess of the casting mold (is shown for example the wall 130_1) can be provided.
  • the wall recess can, for example, be a through recess or it can be formed by a depression in the casting mold adjoining the cavity (for example in the wall 130_1).
  • the housing 660 can be cylindrical, for example, and can thus easily be inserted into a wall hole (through hole or blind hole).
  • the diameter of the housing 660 can, for example, be equal to or smaller or larger than 20 mm, 30 mm or 50 mm.
  • the length of the housing 660 can be, for example, between 80 mm or 100 mm and 200 mm.
  • the core 650_2 guides the magnetic field to a cavity surface 630.
  • a non-ferritic plate 640 can be provided between the core 650_2 and the molten metal 120 in order to achieve the highest possible magnetic coupling between the magnetic field coil 150 (250), e.g. in the form of the solenoid 650 and the molten metal 120 to achieve.
  • the magnetic field coil 150 (250) can be cooled by a coolant 670, which flows through the housing 660, for example.
  • a coolant 670 for example, oil, water or air can be used as a coolant.
  • FIG. 7 shows a schematic sectional view of a device 700 for producing a metallic component in a casting mold.
  • the casting mold comprises two casting mold halves 710, 720.
  • the casting mold halves 710, 720 can form the walls 130_1 and 130_2 shown in the earlier figures. Between the mold halves 710, 720 there is a cavity 730 in which the component to be produced is cast.
  • the casting mold 710, 720 can be, for example, a high-pressure casting mold, a low-pressure casting mold or a chill mold.
  • the first electrode 110_1 of the actuator is formed in the first mold half 710, while the second electrode 110_2 is formed, for example, in the second mold half 720.
  • the electrodes 110_1, 110_2 it is also possible for the electrodes 110_1, 110_2 to be implemented either both in the first casting mold half 710 or both in the second casting mold half 720.
  • the actuator can be equipped with a magnetic field coil 150, e.g., solenoid 650, which is located in the first mold half 710 in the example shown here.
  • a magnetic field coil 150 e.g., solenoid 650
  • the magnetic field coil 150 inserted into the casting mold 710, 720 can, for example, be a permanently installed or integral part of the casting mold 710, 720, as illustrated in FIG. 7, or it can be attached to and detachable from the casting mold 710, 720 in a modular manner.
  • the surface 630 of the cavity 730 can, for example, be made of an austenitic steel plate (corresponds to the non-ferritic plate 640) be gebil det.
  • the mold halves 710, 720 can consist of ferritic steel.
  • FIG. 8 shows a device 800 for producing a metallic component in a casting mold 710, 720.
  • the device 800 essentially corresponds to the device 700, which is why reference is made to the above description to avoid repetition.
  • Also shown in FIG. 8 are tool guides 810 for opening and closing the casting mold halves 710, 720 and a feed (gate) 820 via which the molten metal can be introduced into the cavity 730.
  • the device 800 comprises, for example, two actuators.
  • One actuator has electrodes 110_1 and 110_2 as well as magnetic field coil 150, while the other actuator is implemented, for example, solely by electrodes 110_3, 110_4.
  • the surface 630 of the mold cavity 730 can have several electrodes 110_1, 110_2, 110_1 ', 110_2' which surround the magnetic field coil 150 (arranged behind the non-ferritic plate 640) and are arranged, for example, symmetrically to the magnetic field coil 150.
  • Electrode 650 a, for example, round-shaped local component thickening opposite the magnetic field coil 150 (solenoid 650) can be influenced particularly well in terms of its mechanical properties.
  • the lateral dimensions of the Electrode arrangements are scalable and can in particular be small (for example equal to or smaller than 150 mm, 100 mm or 50 mm). Only minor modifications to the casting mold are required, which is why the concept for grain refinement described here can be implemented very easily and variably.
  • the different electrodes are used to change the direction of the electric field.
  • an exemplary embodiment of a method for producing a metallic component can comprise the following stages or processes.
  • the mold is closed. It can, for example, be a high-pressure mold, a low-pressure mold or a ko kill mold.
  • the casting mold is filled with a molten metal. All mentioned types of filling and materials of Me tallschmelzen can be used.
  • the actuator is switched on at S3.
  • the application phase S4 comprises the coupling of the pulsating electrical field at S4_1 and the optional simultaneous magnetohydrodynamic mixing of the molten metal at S4_2.
  • the application phase S4 is ended and at S5 the molten metal has solidified, i.e. the cast component is in the solid phase.
  • a further, rapid cooling can optionally be carried out to improve the mechanical properties of the cast component.
  • This further cooling takes place additionally borrowed for natural cooling by removing heat by means of a cooling device.
  • the finished cast component is removed from the casting mold.
  • the production cycle can then start again at S1.
  • FIG. 11 illustrates, by way of example, the chronological sequence of the individual process stages.
  • the temperature T of the cast component is shown schematically on the Y-axis and the time t on the X-axis.
  • FIG. 12 illustrates the grain-refining effect of magnetohydrodynamic action on the molten metal with an actuator which generates both a pulsating electric field (ie a pulsating current flow) and an alternating magnetic field superimposed on it.
  • the figure shows the mean grain size of a cast component sample determined in tests as a function of the distance from the actuator (measured along the solenoid axis).
  • the experimental data relate to a gravity casting of a molten metal made of AlSi7Mg0.3.
  • the starting temperature of the molten metal was 720.degree. C.
  • the starting temperature of the mold was 220.degree.
  • a pulsating current of 100 A, generated by a current-controlled power source, with 20% load share PWM, with a pulse frequency of 50 Hz was used.
  • the power coupled in via the magnetic field coil was only 14 W.
  • a single actuator 100 according to FIG. 1 (with a magnetic field coil) was used on one of the casting mold walls.
  • the grain size was reduced by around 40% over the entire thickness of the component. This corresponds to a number of grains increased by a factor of eight, which results in a significant improvement in the mechanical properties of the cast component in the area of electromechanical loading or magnetohydrodynamic movement of the molten metal.
  • FIG. 13 shows the mechanical characteristics of the cast component determined from tensile tests, the tensile test was carried out in accordance with DIN EN ISO 6892-1 with tensile specimens in accordance with DIN 50125.
  • the cast component was produced as described above, only the frequency was increased to 2000 Hz in this test.
  • the wall thickness of the cast component was 6 mm.
  • the elongation at break E elongation
  • R m [MPa] by 66%
  • R p o.2 [MPa] by 13% achieved.
  • the following table 1 summarizes the measured mechanical properties of cast components that were produced with the respective excitation parameters specified in the table.
  • (X W / y%) denotes the coupling of a magnetic power of x watts into the melt during the solidification process and the coupling of a PWM pulse current with a PWM load share of y% during the solidification process into the melt.
  • the PWM pulse current was regulated to 100 A, with a voltage of about IV, ie with a PWM load share ("duty cycle") of 30-80%, for example, about 30-80 W of electrical power is coupled into the melt .
  • the magnetic stirring power was in the range of 10-500W.
  • Table 1 mechanical properties
  • Table 1 shows the 0.2% elongation limit Rp0.2 with YS (0.2% Offset Yield Strength) and UTS (Ultimate Tensile Strength) denotes the tensile strength R m and E (elongation) denotes the elongation at break.
  • D50 means that 50% of the particles are smaller than the specified value.
  • the electrical and magnetic excitation enabled the porosity to be significantly reduced, and the size of the pores (large pores can act as crack triggers), especially the largest pores (Dmax), can be greatly reduced, which is primarily expressed in an increased elongation at break .
  • Figure 14 shows the measured grain size distribution of cast components without electrical and magnetic excitation (reference), only with magnetic excitation in the range of 1-500W, only with electrical excitation in the range of 30-80% PWM or both with magnetic as well as electrical excitation as described above (ie with the same values as in the above curves). It turns out that with magnetic stirring alone a grain size distribution which is somewhat more homogeneous compared to the reference distribution without electrical and magnetic excitation can be achieved, but does not show any increase in the frequency of small grain sizes.
  • a combination of magnetic stirring and electrical pulsing not only improves the homogeneity of the distribution, but also significantly increases the frequency of small grain sizes.
  • the mean grain size is reduced by more than 30% (measured: 32% reduction).
  • The% figures relate to the reference without electrical and magnetic excitation.
  • the combination of magnetic stirring and electrical pulsing has a synergistic effect that goes significantly beyond the addition of the individual effects of the two excitation methods.

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Abstract

Ein Aktuator für eine Gussform zur Herstellung eines metallischen Bauteils weist wenigstens zwei mit der Metallschmelze in Kontakt stehende Elektroden zur Erzeugung eines lokalen, pulsierenden elektrischen Feldes in einer in der Gussform befindlichen Metallschmelze sowie zur Einleitung eines pulsierenden Stroms in die Metallschmelze auf.

Description

AKTUATOR FÜR EINE GUSSFORM ZUR HERSTELLUNG METALLISCHER
BAUTEILE
Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Gussform zur Herstellung eines metallischen Bauteils sowie eine Vorrich tung und ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils.
Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Gussbau teilen werden Maßnahmen angewendet, die eine Kornfeinung in der erstarrenden Metallschmelze bewirken.
Eine bekannte Möglichkeit besteht darin, die Abkühlungsge schwindigkeit der Metallschmelze während der Verfestigung zu erhöhen. Dadurch steht für das Kornwachstum weniger Zeit zur Verfügung. Besonders in dickwandigen Bauteilen ist es jedoch nicht immer möglich oder werkzeugtechnisch sehr aufwändig, eine ausreichend schnelle Kühlung zu erreichen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, der Metallschmelze kornfeinende Mittel (z.B. TiB Partikel) zuzugeben. Diese wir ken als Kristallisationskeime, erhöhen die Anzahl der Körner und begrenzen dadurch das Kornwachstum. Nachteilig sind die hohen Kosten und die vergleichsweise geringe Effizienz (nur etwa 15% Korngrößenreduzierung). Außerdem lassen sich die me chanischen Eigenschaften eines Bauteils nicht lokal, sondern nur über das gesamten Bauteil beeinflussen.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgaben stellung kann darin gesehen werden, ein kostengünstiges und vielseitig einsetzbares Konzept zur Erzielung verbesserter mechanischer Eigenschaften von Gussbauteilen anzugeben. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiter bildungen und Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegen stand der abhängigen Ansprüche.
Ein Aktuator für eine Gussform zur Herstellung eines metalli schen Bauteils kann demnach wenigstens zwei mit der Metall schmelze in Kontakt stehende Elektroden aufweisen, die zur Erzeugung eines lokalen, pulsierenden elektrischen Feldes in einer in der Gussform befindlichen Metallschmelze sowie zur Einleitung eines pulsierenden Stroms in die Metallschmelze dienen.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Einkopplung eines pulsie renden elektrischen Feldes sowie Einleitung eines pulsieren den Stroms in die Metallschmelze eine Verminderung des Korn wachstums während des Erstarrungsprozesses und somit eine ef fektive Beschränkung der mittleren Korngröße erreichbar ist. Dabei lässt sich durch eine geeignete Positionierung des Ak tuators an oder in der Gussform eine gezielte, lokale Erhö hung der mechanischen Bauteileigenschaften herbeiführen. Auf grund des einfachen Aufbaus des Aktuators und seiner lokalen Anwendung ist das hier beschriebene Konzept für vielfältige Werkzeug- und bauteiltechnische Aufgabenstellungen einsetz- bar.
Die kornfeinende Wirkung eines hohen pulsierenden elektri schen Feldes (d.h. eines pulsierenden Stromes in der Metall schmelze) auf das Kornwachstum beruht vermutlich auf der un terschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit von Dendriten und der umgebenden Metallschmelze, die an Spitzen der Dendriten zu hoher Wärmeentwicklung und dadurch zu einem das Kornwachs tum verlangsamenden Aufschmelzen der Dendritenspitzen führt. Das Aufschmelzen verzögert die konstitutionelle Unterkühlung der Metallschmelze, die das dendritische Wachstum bewirkt.
Die Ausbildung und das Wachstum eines Dendriten wird durch das erstarrungsbedingte Konzentrationsgefälle im Nahbereich seiner Phasengrenzfläche, sowie dem Temperaturregime defi niert. Diese Abhängigkeit wird mit dem Konzept der konstitu tionellen Unterkühlung beschrieben. Bei dem hier verfolgten Ansatz wird durch eine schwache unstetige lokale Strömung ein Konzentrations- und Temperaturausgleich im Nahbereich des Dendriten erzielt. Dadurch reduziert sich die konstitutionel le Unterkühlung und das Wachstum des Dendriten wird behindert beziehungsweise verlangsamt. In anderen Worten: die heteroge ne Keimbildung wird zurück gedrängt zugunsten einer homogenen Keimbildung, was eine Kornfeinung im späteren Gussbauteil be wirkt. Es können dabei möglichst isotrope Eigenschaften des Gussbauteils ermöglicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Aktuator ferner ei ne Magnetfeldspule zur Erzeugung eines lokalen, magnetischen Feldes in der Metallschmelze auf, wobei im Betrieb des Aktua tors die Magnetfeldspule zwischen den wenigstens zwei Elekt roden angeordnet ist. Durch die Überlagerung des pulsierenden elektrischen Feldes mit einem statischen magnetischen Feld oder einem magnetischen Wechselfeld lässt sich das Kornwachs tum weiter beeinflussen.
Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, eine gezielte Bewegung der Metallschmelze zu erzeugen, die zumindest im randnahen Bereich der Gussform eine erhöhte Durchmischung der Metallschmelze bewirkt. Dies reduziert die dort vorhandenen Konzentrations- und Temperaturunterschiede, verlangsamt das Kornwachstum und schafft Zeit für eine vermehrt endogene Keimbildung. Die Auslenkung der Metallschmelze kann sehr ge ring sein und sich in einer Oszillation äußern, wobei sich die Metallschmelze in Summe nicht bewegt.
Mit anderen Worten kann bei der (optionalen) Verwendung einer Magnetfeldspule das durch den Stromfluss in der Metallschmel ze selbst erzeugte Magnetfeld mit dem von der Magnetfeldspule erzeugten, von außen angelegten Magnetfeld interagieren und dadurch eine Abstoßung erzeugen, die in der Metallschmelze eine feldabhängige Strömung ausbildet.
Die Überlagerung des pulsierenden elektrischen Feldes mit ei nem statischen magnetischen Feld oder einem magnetischen Wechselfeld ermöglicht es, die gewünschte Kornfeinung schon bei geringeren elektrischen Feldern (Stromstärken) als im Fall ohne magnetisches Feld zu erzielen, wodurch die Einhal tung der elektromagnetischen Verträglichkeit erleichtert wird.
Beispielsweise können die wenigstens zwei Elektroden und die Magnetfeldspule im Betrieb des Aktuators so angeordnet sein, dass das Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht zu dem elektri schen Feld verläuft. Dadurch lassen sich durch Wechselwirkung der Felder und in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Elek troden und der Magnetfeldspule durch elektromagnetische In duktion unterschiedliche Effekte in der Metallschmelze errei chen, die weiter unten noch näher erläutert werden.
Der Aktuator kann ein die Magnetfeldspule aufnehmendes Gehäu se aufweisen, welches zum Einbau in eine Wandausnehmung der Gussform vorgesehen ist. Dies ermöglicht es, das Gehäuse (welches optional auch die wenigstens zwei Elektroden enthal ten kann) fest in oder an der Gussform zu verankern. Bei- spielsweise kann das Gehäuse Zylinderform aufweisen, wodurch die Wandausnehmung der Gussform als einfache Bohrung ausge staltet sein kann, in welche das Gehäuse eingesetzt wird.
Ferner kann in dem Gehäuse eine Kühlung untergebracht sein, die ein Kühlmittel verwendet. Dadurch lässt sich insbesondere bei hohen magnetischen Feldstärken einer unerwünschten Erwär mung umliegender Wandbereiche der Gussform entgegenwirken.
Eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Bauteils kann eine Gussform mit einer Kavität zum Gießformen des me tallischen Bauteils sowie einen in die Gussform eingesetzten Aktuator der beschriebenen Art aufweisen. Durch den in die Gussform eingesetzten Aktuator können gezielt bestimmte Be reiche des metallischen Bauteils in ihren mechanischen Eigen schaften verbessert werden.
Eine solche geschlossene Gussform mit einer Kavität zum Gieß formen des metallischen Bauteils kann mindestens zwei Form hälften aufweisen, zwischen denen die Kavität ausgebildet ist, aus der nach einem Öffnen der Formhälften das metalli sche Bauteil entnommen wird. Aufgrund der (geschlossenen) Ka vität kann ggf. auch Druck auf die Schmelze in der Gussform ausgeübt werden.
Die Gussform und der Aktuator können modular ausgeführt sein, d.h. der Aktuator kann mit einer Vielzahl unterschiedlicher Gussformen kombinierbar sein. Es ist selbstverständlich auch möglich, mehrere Aktuatoren zu verwenden, die für bestimmte Zonen des Bauteils vorgesehen sind. Für verschiedenste Bau teilformen und Gussformkonzepte lassen sich somit auf einfa che Weise Gussbauteile mit mechanischen Eigenschaften schaf- fen, die lokal unterschiedlich und an den Einsatzzweck des Bauteils angepasst sind.
Beispielsweise kann die Kavität der Gussform eine Bauteildi cke und eine Flächenformgebung des Bauteils definieren, wobei der Aktuator benachbart einer lokalen Bauteilverdickung ange ordnet ist. Bauteilverdickungen, d.h. Bauteilbereiche mit lo kal dickeren Wandstärken, werden beispielsweise für Verbin dungszonen (z.B. Schraub- oder Steckkupplungen, Flansche, usw.) der Bauteile benötigt. In solchen Bereichen kühlt das Gussbauteil langsamer ab, so dass gerade hier die Körner grö ßer sind und verminderte mechanische Eigenschaften auftreten können. Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen hier Ab hilfe.
Die Gussform kann wenigstens zwei Bohrungen für die wenigs tens zwei Elektroden aufweisen. Somit kann jede Elektrode in einer Bohrung der Gussform untergebracht sein, wobei ein di rekter elektrischer Kontakt der Elektroden mit der Metall schmelze ermöglicht wird.
Die Gussform kann ferner wenigstens eine zentrale Ausnehmung, beispielsweise Bohrung für ein Gehäuse einer Magnetfeldspule des Aktuators aufweisen, wobei die wenigstens zwei Elektroden des Aktuators beidseitig der zentralen Ausnehmung angeordnet sind. Dies ermöglicht auf konstruktiv einfache Weise die Überlagerung des magnetischen Feldes mit dem von den Elektro den erzeugten elektrischen Feld.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können in verschiedensten Gussformen zum Einsatz kommen, darunter Hochdruckgussformen, Niederdruckgussformen oder auch Kokillengussformen (auch be kannt als Schwerkraftgussformen). Da der Aktuator druckbe- ständig in der Gussform verankerbar ist, sind Ausführungsbei spiele der Erfindung insbesondere auch für den Hochdruckguss sehr gut geeignet, insbesondere für Aluminiumdruckguss (High Pressure Die Casting). Konventionelle Aktuatoren, welche auf direkter mechanischer Anregung beruhen oder eine Membran zur Übertragung von Schwingungen aufweisen, sind aufgrund der ho hen Arbeitsdrücke und des hohen Verschleißes nur bedingt für den Hochdruckguss geeignet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstel lung eines metallischen Bauteils kann eine Gussform mit einer Metallschmelze befüllt werden. In einer in der Gussform be findlichen Metallschmelze wird ein lokales pulsierendes elektrisches Feld durch wenigstens zwei mit der Metallschmel ze in Kontakt stehende Elektroden zur Einleitung eines pul sierenden Stroms in die Metallschmelze erzeugt.
Durch das elektrische Feld kann beispielsweise eine Leistung von 30 W (oder ggf. auch 50 W) bis 5 kW, bevorzugt 30 W bis 1 kW, insbesondere bevorzugt 30 W bis 200 W in die Metall schmelze eingekoppelt werden und/oder es können beispielswei se pulsierende elektrische Felder einer Pulsfrequenz zwischen 1 und 2500 Hz, bevorzugt zwischen 40 Hz und 2000 Hz, insbe sondere bevorzugt zwischen 40 Hz und 500 Hz eingesetzt wer den. Höhere Frequenzen z.B. bis 5000 Hz oder darüber sind ebenfalls möglich und können zur Erzielung des erfindungsge mäßen Effekts (Kornfeinung) gegebenenfalls auch hilfreich sein, erfordern jedoch einen höheren apparativen Aufwand und höhere Kosten. Außerdem kommt es im Bereich von über 20 kHz zur Kavitation (also der Bildung von Hohlräumen und Jets) in der Schmelze, was zwar zu einer besseren Durchmischung aber auch zur Entgasung der Schmelze führt und daher bei einer ge schlossenen Gussformen nicht sinnvoll ist, da die entstehen- den Gasbläschen/Kavitätsbläschen nicht entweichen können und folglich zu Hohlräumen und einer erhöhten Porosität im Guss bauteil führen würden.
Eine Stromamplitude der Pulse kann beispielsweise zwischen 2 und 1000 A, bevorzugt zwischen 50 und 800 A, insbesondere be vorzugt zwischen 90 und 500 A betragen oder auch höher sein. Insbesondere bei Verwendung eines den Stromfluss überlagern den magnetischen Feldes können aber auch schon kleinere Stromamplituden von maximal 800 A, 600 A, 400 A, 200 A oder 100 A ausreichend für die Erzielung einer effektiven Kornfei nung sein. Bevorzugte Flächenstromdichten ergeben sich aus den Querschnittsdimensionen der Elektroden, die beispielswei se zwischen wenigen Quadratmillimetern (z.B. 10 mm2) und mehr als 100 oder 200 mm2 betragen können. Die Spannungsamplitude kann beispielsweise zwischen 1 und 10 V betragen und ist wird hauptsächlich durch Kontaktwiderstände zwischen den Elektro den und der Metallschmelze bestimmt.
Ausführungsbeispiele des Verfahrens umfassen ferner das Er zeugen eines lokalen, magnetischen Feldes in der Metall schmelze, wobei sich das lokale pulsierende elektrische Feld und das lokale magnetische Feld überlagern.
Dabei kann durch das magnetische Feld beispielsweise eine Leistung von 10 W bis 10 kW, bevorzugt 10 W bis 1 kW, insbe sondere bevorzugt 20 W bis 500 W in die Metallschmelze einge koppelt werden und/oder das magnetische Feld kann beispiels weise eine Wechselstromfrequenz zwischen 5 und 25000 Hz, be vorzugt zwischen 30 und 3000 Hz, insbesondere bevorzugt zwi schen 30 und 80 Hz aufweisen. Zur gezielten Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das lokale pulsierende elektrische Feld und gegebenenfalls das lokale magnetische Feld im Bereich einer lokalen Wandver dickung des metallischen Bauteils erzeugt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Weiterbildung in beispielhafter Weise anhand der Zeichnungen erläutert, wobei in den Zeichnungen teilweise ein unterschiedlicher Detaillie rungsgrad verwendet wird. Einzelne Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Varianten derselben sind miteinander kombinierbar, sofern dies aus technischen Gründen nicht aus geschlossen ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben oder ähnliche Teile.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Aktuators mit mehreren Elektroden und einer optionalen Magnetfeldspule für eine Gussform.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aktua tors mit zwei Magnetfeldspulen.
Figur 3 veranschaulicht die Richtungen des elektrischen Fel des, des Magnetfeldes und einer Bewegung der Metallschmelze.
Figur 4 veranschaulicht die Wirkung eines pulsierenden elektrischen Feldes auf einen Dendriten der Metallschmelze.
Figur 5 veranschaulicht die Wirkung eines magnetischen Feldes auf Dendriten in der Metallschmelze.
Figur 6 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Aus führungsbeispiels eines Aktuators mit einer in einem Gehäuse untergebrachten Magnetfeldspule. Figur 7 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Bauteils mit einem in die Gussform einge setzten Aktuator.
Figur 8 zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Bauteils mit einem in die Gussform eingesetzten Aktuator .
Figur 9 zeigt ein Beispiel einer Anordnung von Elektroden und einer Magnetfeldspule in Blickrichtung auf die Kavitätswan dung.
Figur 10 zeigt ein Flussdiagramm, in welchem beispielhafte Prozesse oder Stadien eines Verfahrens zur Herstellung eines metallischen Bauteils dargestellt sind.
Figur 11 zeigt ein Diagramm, in welchem die Beaufschlagung eine Metallschmelze durch einen Aktuator in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit dargestellt ist.
Figur 12 zeigt ein Diagramm, in welchem gemessene Korngrößen im Gussbauteil in Abhängigkeit von der Entfernung von der Mitte des Aktuators bei aktiviertem Aktuator und als Referenz ohne dessen Aktivierung dargestellt sind.
Figur 13 zeigt ein Diagramm, in welchem mechanische Kennwerte aus Zugversuchen an einem Gussbauteil mit und ohne aktivier tem Aktuator angegeben sind.
Figur 14 zeigt gemessene Korngrößenverteilungen von Gussbau teilen, die nur mit magnetischer Anregung, nur mit elektri- scher Anregung oder sowohl mit magnetischer als auch elektri scher Anregung produziert wurden.
Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Aktuators 100 für eine Guss form zur Herstellung eines metallischen Bauteils. Der Aktua tor 100 weist zumindest eine erste Elektrode 110_1 und eine zweite Elektrode 110_2 auf. Die beiden Elektroden 110_1 und 110_2 können so elektrisch angesteuert werden, dass sie ein pulsierendes elektrisches Feld in einer Metallschmelze 120 erzeugen. Die beiden Elektroden 110_1, 110_2 können zu diesem
Zweck beispielsweise durch eine Wandung 130_1 einer in Figur 1 nicht näher dargestellten Gussform 130 hindurchstehen, so dass sie sich in direktem elektrischen Kontakt mit der Me tallschmelze 120 befinden können.
Die beiden Elektroden 110_1, 110_2 können beispielsweise als elektrisch leitfähige Kontaktstifte ausgebildet sein, die aus der Wandung 130_1 etwas (z.B. ein oder mehrere mm) vorstehen (nicht dargestellt), um einen sicheren elektrischen Kontakt zu der Metallschmelze 120 - auch während der Erstarrung der Metallschmelze 120 (Schwundphase) - zu gewährleisten. D.h., über die mit der Metallschmelze 120 in Kontakt stehenden Elektroden 110_1, 110_2 können extern erzeugte elektrische Signalpulse (Strompulse) direkt in die Metallschmelze 120 eingeleitet bzw. durch diese durchgeleitet werden.
Durch vorstehende elektrisch leitfähige Kontaktstifte (soge nannte Pins) lässt sich erreichen, dass ein direkter elektri scher Kontakt mit der Metallschmelze bis etwa 90% Festphasen anteil in der Schmelze aufrechterhalten bleibt.
Der Durchmesser der Kontaktstifte kann so gewählt werden, dass bei einem gegebenen Strom eine geeignet hohe Flächen- stromdichte erreicht wird. Z.B. kann ein Durchmesser der Stifte im Bereich von 3 mm bis 12 mm, insbesondere 6 bis 8 mm betragen, und es kann beispielsweise eine Flächenstromdichte im Bereich von z.B. 1 bis 10 A/mm2, insbesondere 2 bis 4 A/mm2 erzeugt werden (beispielsweise für einen Strom von etwa 100 A).
Bei der Metallschmelze 120 kann es sich beispielsweise um ei ne Aluminiumschmelze, Zinkschmelze, Magnesiumschmelze oder Messingschmelze handeln oder es können Aluminiumbasislegie rungen, Zinkbasislegierungen, Magnesiumbasislegierungen oder Kupferbasislegierungen eingesetzt werden. Weitere Metalle, wie beispielsweise Bronze, Zinn, Chrom, Nickel oder andere Materialien können als Basismetall oder Legierungszusatz ebenfalls in der Metallschmelze 120 vorhanden sein.
Durch Anlegen einer pulsierenden elektrischen Spannung an die beiden Elektroden 110_1, 110_2 wird ein pulsierendes elektri sches Feld und dadurch ein pulsierender elektrischer Strom in der Metallschmelze 120 erzeugt. Dieser externe Strom wird über die beiden Elektroden 110_1, 110_2 direkt in die Metall schmelze 120 eingebracht (d.h. es handelt sich hier nicht um einen in der Schmelze beispielsweise durch magnetische Wech selfelder induzierten Wirbelstrom). Dieser von außen einge leitete elektrische Strom fließt in Richtung des elektrischen Feldes, d.h. von der einen Elektrode 110_1 zur anderen Elekt rode 110_2. Das elektrische Feld weist somit eine Hauptkompo nente 112 auf, die sich zumindest bereichsweise im Wesentli chen parallel zu der Wandung 130_1 der Gussform 130 er streckt. Ein optionaler Polaritätswechsel der angelegten Spannung zwischen den Elektroden 110_1, 110_2 reversiert ent sprechend auch die Richtung des elektrischen Feldes sowie die Stromrichtung . Die Elektroden 110_1, 110_2 können beispielsweise durch Boh rungen in der Wandung 130_1 durchgeführt sein, wobei die Durchführungen gegenüber der Gussform (Wandung 130_1) elektrisch isoliert sind.
Figur 1 zeigt ferner eine Anordnung, die eine Stromversorgung 180 und den Aktuator 100 umfasst. Die Stromversorgung 180 ist im Betrieb mit den Elektroden 110_1, 110_2 des Aktuators 100 elektrisch verbunden ist. Die Stromversorgung 180 erzeugt die Signalform (Pulse) und stellt die Leistung für das Signal (z.B. Strompulse oder Spannungspulse) zur Verfügung. Die Stromversorgung 180 kann stromgesteuert (d.h. als Stromquel le) oder spannungsgesteuert (d.h. als Spannungsquelle) ausge legt sein. Im ersten Fall werden Strompulse einer vorgebbaren Höhe erzeugt, im zweiten Fall wird als Zielgröße für die Pulshöhe ein vorbestimmter Spannungswert vorgegeben. Da bei der ersten Variante (stromgesteuerte Stromversorgung 180) die Kontaktierungswiderstände zwischen den Elektroden 110_1,
110_2 und der Metallschmelze 120 die in die Metallschmelze 120 eingebrachte Leistung nicht verändern, kann die erste Va riante bevorzugt sein.
Der Aktuator 100 kann ferner optional eine Magnetfeldspule 150 umfassen. Die Magnetfeldspule 150 kann ein magnetisches Feld in Richtung der in Figur 1 beispielhaft dargestellten Magnetfeldlinien 152 erzeugen. Die Magnetfeldlinien 152 kön nen im wandnahen Bereich im Wesentlichen senkrecht zu der Wandung 130_1 orientiert sein. Durch die in Figur 1 darge stellte Anordnung, bei welcher die Magnetfeldspule 150 zwi schen den Elektroden 110_1, 110_2 angeordnet ist, wird er reicht, dass sich das elektrische Feld und das magnetische Feld überlagern und sich die Feldlinien 112, 152 kreuzen. Ein Magnetfeld der in Figur 1 dargestellten Art kann bei spielsweise durch einen Solenoid erzeugt werden.
Figur 2 zeigt in Querschnittsdarstellung ein weiteres Bei spiel eines Aktuators 200. Der Aktuator 200 unterscheidet sich von dem Aktuator 100 im Wesentlichen dadurch, dass neben der (optionalen) Magnetfeldspule 150 an der Wandung 130_1 ei ne weitere Magnetfeldspule 250 an einer der Wandung 130_1 ge genüberliegenden Wandung 130_2 der Gussform 130 angeordnet ist. Auf diese Weise kann die in die Metallschmelze 120 ein gekoppelte Magnetfeldleistung verstärkt werden und es lässt sich erreichen, dass beispielsweise die gesamte Wandstärke des Bauteils von einem starken Magnetfeld durchsetzt wird.
Figur 3 verdeutlicht die Richtung des Stromflusses 312 (die der Richtung der Hauptkomponente des elektrischen Feldes 112 entspricht) sowie, falls vorhanden, die Richtung des magneti schen Feldes, welches durch die Magnetfeldlinien 152 veran schaulicht wird. Ferner zeigt Figur 3 auch die Richtung 314 einer magnetohydrodynamischen Strömung der Metallschmelze 120, die durch die Überlagerung des elektrischen Feldes mit dem magnetischen Feld erzielt werden kann. In den Figuren 1 und 2 zeigt die Richtung 314 der Strömung aus der Papierebene hinaus (oder bei Reversierung des elektrischen Feldes in die Papierebene hinein, siehe den Doppelpfeil in Figur 2).
Figur 4 veranschaulicht anhand mehrerer schematischer Dar stellungen das Prinzip der Kornfeinung mittels Beaufschlagung der Metallschmelze 120 mit einem pulsierenden elektrischen Feld. Die durch das pulsierende elektrische Feld erzeugten Strompulse (I) sind im oberen Bereich der Figur 4 gegenüber der Zeit t dargestellt. Im linken unteren Bereich der Figur 4 ist in schematischer Darstellung ein Dendrit 410 gezeigt, der in der Metallschmelze 120 dem elektrischen Feld (Feldlinien 112) ausgesetzt ist. An den Spitzen des Dendriten 410 entste hen hohe elektrische Feldstärken (siehe die Feldlinien 412) aufgrund der Potentialdifferenz, die sich durch die unter schiedliche elektrische Leitfähigkeit im Dendrit-Kristall (höhere Leitfähigkeit) und der Metallschmelze 120 (niedrigere Leitfähigkeit) einstellt. Dies führt zu einem lokal überhöh ten Stromfluss im Dendriten 410 und zu einer jouleschen Er wärmung an den Spitzen des Dendriten 410 während eines Strom pulses. Die Erwärmung bewirkt ein Aufschmelzen der Spitzen, wodurch sich die Spitzen abrunden (siehe Figur 4, rechter Teil, umkreiste Spitze). Die Abrundung der Spitzen reduziert die Oberfläche des Dendriten 410 und kann somit seinen Wär meaustausch (Abkühlung) mit der Metallschmelze 120 vermin dern. Dies behindert bzw. verzögert weiteres dendritisches Wachstum. Die Metallschmelze 120 erstarrt in einem feinkörni gen, im Vergleich zur dendritischen Grundstruktur eher glo bulären Gefüge mit erhöhten mechanischen Eigenschaften.
Der laterale Bereich, in welchem dieser Effekt auftritt, kann beispielsweise gleich oder kleiner als 150 mm, 100 mm oder 50 mm sein. Das heißt, es können besonders gut lokal begrenz te Bauteilbereiche durch die Beaufschlagung mit einem hohen elektrischen Feld beeinflusst werden.
Die Pulsfrequenz kann beispielsweise zwischen 1 und 2000 Hz, bevorzugt zwischen 100 und 1000 Hz liegen. Je höher die Puls frequenz, desto höhere Energieeinträge sind in die Metall schmelze 120 möglich. In der Praxis hat sich gezeigt, dass eine Leistung von beispielsweise 1 bis 2 kW pro Aktuator 100, 200 ausreichend sein kann. Höhere Leistungen können ebenfalls eingekoppelt werden, erfordern jedoch eine teurere Leistungs- elektronik, insbesondere bei höheren gewünschten Pulsfrequen zen.
Es können unterschiedliche Signalformen für die Pulse einge setzt werden:
Dreieckpulse (Diracpulse) sind die ideale Signalform zur Er zielung des gewünschten Effektes. Probleme bereitet jedoch die elektromagnetische Verträglichkeit bzw. Abschirmung der Anlage, da die externe Stromversorgung als Breitbandstörer wirkt.
Pulsweitenmodulation (PWM) ermöglicht die Erzeugung eines ge pulsten Gleichstromes, dessen prozentualer Anteil an Pulsdau er und Pause die Leistung bestimmt. Bei PWM-Signalen bezieht sich die Frequenz auf die Ein/Aus-Periodendauer. Der PWM Lastanteil kann beispielsweise zwischen 5% und 95% betragen. PWM-Signale sind einfach zu erzeugen und zu regeln. Sie wur den bei den durchgeführten Versuchen eingesetzt.
Künstliche Pulsformen, bei denen eine Stromkurve nach Wahl abgefahren wird, sind ebenfalls möglich und gestatten eine Optimierung der Pulsform in Richtung Diracpuls ohne dessen Störwirkung .
Sämtliche Signalformen können mit reversierenden Pulsen be trieben werden, d.h. die Stromrichtung kann beispielsweise nach jedem Puls (oder einem Pulszug bestimmter Länge) gewech selt werden.
Sämtliche Signalformen können beispielsweise als Stromsignal oder als Spannungssignal bereitgestellt werden. Beispielswei se kann als Stromversorgung 180 (siehe Figur 1) eine Nieder- spannungs-Stromversorgung in Kombination mit einem Frequenz generator zum Ein/Ausschalten der Stromversorgung 180 zum Einsatz kommen.
Figur 5 veranschaulicht die Wirkung eines magnetischen Wech selfeldes auf das Kornwachstum. Dargestellt sind die beiden Wandungen 130_1 und 130_2 einer Gussform sowie die zwischen den Wandungen befindliche Metallschmelze 120.
Während des Prozesses des Erstarrens der Metallschmelze 120 bildet sich an den Wandungen 130_1, 130_2 eine bereits er starrte Schale 120_1 aus, während die Metallschmelze 120 im inneren Bereich 120_2 noch flüssig ist. Durch ein magneti sches Feld (Magnetfeldlinien 152) bildet sich in der Metall schmelze 120 und insbesondere an der Grenzfläche zwischen der erstarrten Schale 120_1 und dem noch schmelzflüssigen Inneren 120_2 eine Strömung 514 in der Metallschmelze 120 aus, die das dendritische Wachstum verlangsamen.
Wie im unteren Bereich von Figur 5 veranschaulicht kann die Strömung 514 sowohl linear als auch in Art einer Rührbewegung zirkular sein. Durch die Strömung 514 werden die an der Grenzfläche zwischen der Schale 120_1 und dem Inneren 120_2 der Metallschmelze 120 wachsenden Dendriten 410 deformiert oder abgebrochen. Dadurch steht mehr Zeit für ein endogenes Kornwachstum zur Verfügung, wodurch beim Erstarrungsvorgang ein feinkörniges, weniger dendritisches Gefüge geschaffen wird.
Das magnetische Wechselfeld kann beispielsweise im Frequenz bereich zwischen 5 und 20000 Hz oder 25000 Hz liegen. Durch eine geeignete Auslegung der Umgebungsbereiche der Magnet feldspule 150, 250 kann die induktive Erwärmung reduziert werden, die die maximal erreichbare Frequenz (und damit den maximal erreichbaren Energieeintrag in die Metallschmelze 120) limitieren kann. Dieser unerwünschten Erwärmung kann beispielsweise durch eine Kühlung der Magnetfeldspule 150,
250 und/oder durch die Verwendung nicht-ferritischer Stähle als Gussformmaterial, beispielsweise auch in Art eines Ein satzes in die Gussformwandung in der Umgebung der Magnetfeld spule 150, 250 entgegengewirkt werden. Als nicht-ferritische Stähle können beispielsweise austenitische Stähle oder Edel stähle (beispielsweise mit Austenit-stabilisierenden Elemen ten wie z.B. Cr und/oder Ni) eingesetzt werden.
Ein Leistungseintrag des Magnetfeldes zwischen 10 W und 10 kW kann für viele Einsatzzwecke ausreichend sein.
Durch eine Überlagerung des pulsierenden elektrischen Feldes mit einem magnetischen Wechselfeld kann ein elektromagneti sches Feld induziert werden, das eine zirkulare magnetohydro dynamische Bewegung der Metallschmelze 120 (magnetisches Rüh ren) bewirkt. Das elektromagnetische Feld induziert einen elektrischen Strom in der Metallschmelze, der ein entgegenge richtetes elektromagnetisches Feld erzeugt. Dieses erzeugt eine Kraft, die die Metallschmelze 120 in Art einer Rührbewe gung mit kleiner Amplitude bewegt. Die magnetohydrodynamische Einwirkung auf die Metallschmelze 120 kann zu einer vermin derten Porosität im Gussbauteil führen, was vorteilhaft sein kann für die mechanischen Kennwerte sowie für eine spätere Wärmebehandlung des Gussbauteils.
Eine Bewegung der Metallschmelze ist auch durch ein stati sches magnetisches Feld und die Einspeisung eines hohen Puls stromes (erzeugt durch das pulsierende elektrische Feld) durch die Metallschmelze 120 erreichbar, wenn die Richtung des elektrischen Stromes umgeschaltet wird und/oder die Rich tung des magnetischen Feldes in der Magnetfeldspule 150, 250 umgeschaltet wird. Dadurch wird die Strömungsrichtung in der Metallschmelze alternierend reversiert. Das heißt, auch auf diese Weise lässt sich eine oszillierende Strömung in der Me tallschmelze 120 mit geringer Amplitude (beispielsweise zwi schen 100 pm und einigen mm) erzielen, die ausreichend groß ist, um die Konzentrationsunterschiede der Legierungselemente zwischen der flüssigen Phase und der Verfestigungszone an der Grenzfläche der wachsenden Kristalle (d.h. zwischen der Scha le 120_1 und dem Inneren 120_2 der Metallschmelze 120) zu vermindern .Die Metallschmelze oszilliert dabei mit einer kleinen Amplitude und die wachsenden Kristalle können auf grund ihrer Trägheit der Bewegung nicht direkt folgen. Diese Relativbewegung bewirkt die Durchmischung. Die Durchmischung führt zu einem Konzentrations- und Wärmeausgleich an der Er starrungsfront .
Mit anderen Worten kann die Variation des Magnetfeldes und/oder des Stromes einen Wirbelstrom nahe der Grenzfläche der wachsenden Kristalle (Dendriten) induzieren und erzeugt dadurch eine Bewegung der Metallschmelze 120. Diese Bewegung der Metallschmelze kann im Bereich von Ultraschall-Vibra tionen liegen, wobei Ultraschall-Vibrationen als solche je doch nur eine begrenzte (akustische) Eindringtiefe in das In nere 120_2 der Metallschmelze 120 haben würden.
Gemäß Figur 6 kann die Magnetfeldspule 150 (250) in Form ei nes Solenoiden 650 ausgebildet sein. Der Solenoid 650 kann eine zylinderförmige Wicklung 650_1 sowie einen zentralen Kern 650_2 aufweisen. Der Solenoid 650 befindet sich bei spielsweise in einem Gehäuse 660. Das Gehäuse 660 kann zum Einbau in eine Wandausnehmung der Gussform (dargestellt ist beispielsweise die Wandung 130_1) vorgesehen sein. Die Wand ausnehmung kann, wie in Figur 6 dargestellt, beispielsweise eine Durchgangsausnehmung sein oder sie kann durch eine an die Kavität angrenzende Vertiefung in der Gussform (bei spielsweise in der Wandung 130_1) gebildet sein.
Das Gehäuse 660 kann beispielsweise zylindrisch sein und so mit in einfacher Weise in eine Wandbohrung (Durchgangsbohrung oder Sackbohrung) einsetzbar sein. Der Durchmesser des Gehäu ses 660 kann beispielsweise gleich oder kleiner oder größer als 20 mm, 30 mm oder 50 mm sein. Die Länge des Gehäuses 660 kann beispielsweise zwischen 80 mm oder 100 mm und 200 mm be tragen.
Der Kern 650_2 führt das magnetische Feld zu einer Kavitäts oberfläche 630. Eine nicht-ferritische Platte 640 kann zwi schen dem Kern 650_2 und der Metallschmelze 120 vorgesehen sein, um eine möglichst hohe magnetische Kopplung zwischen der Magnetfeldspule 150 (250) z.B. in Form des Solenoiden 650 und der Metallschmelze 120 zu erzielen.
Die Magnetfeldspule 150 (250) kann über ein Kühlmittel 670 gekühlt werden, welches beispielsweise das Gehäuse 660 durch strömt. Beispielsweise kann Öl, Wasser oder Luft als Kühlmit tel eingesetzt werden.
Es ist in nichtdargestellter Weise auch möglich, die Wandung 130_1 der Gussform in der Umgebung der Ausnehmung für das Ge häuse 660 zu kühlen. Die Magnetfeldspule 150 (250) kann sich beispielsweise auch in einem nicht-ferritischen Einsatz in der Wandung 130_1 befinden, der gegebenenfalls mit einer Kühlmittelkühlung versehen sein kann. Figur 7 zeigt in schematischer Schnittansicht eine Vorrich tung 700 zur Herstellung eines metallischen Bauteils in einer Gussform. Die Gussform umfasst in dem hier dargestellten Bei spiel zwei Gussformhälften 710, 720. Die Gussformhälften 710, 720 können die in den früheren Figuren dargestellten Wandun gen 130_1 bzw. 130_2 ausbilden. Zwischen den Gussformhälften 710, 720 befindet sich eine Kavität 730, in welcher das her zustellende Bauteil gegossen wird.
Bei der Gussform 710, 720 kann es sich beispielsweise um eine Hochdruckgussform, eine Niederdruckgussform oder eine Kokil lengussform handeln.
In dem in Figur 7 dargestellten Beispiel ist die erste Elek trode 110_1 des Aktuators in der ersten Gussformhälfte 710 ausgebildet, während die zweite Elektrode 110_2 beispielswei se in der zweiten Gussformhälfte 720 ausgebildet ist. Selbst verständlich ist es auch möglich, dass die Elektroden 110_1, 110_2 entweder beide in der ersten Gussformhälfte 710 oder beide in der zweiten Gussformhälfte 720 realisiert sind.
Ferner kann in der schon beschriebenen Weise der Aktuator mit einer Magnetfeldspule 150, z.B. Solenoid 650, ausgestattet sein, welche sich in dem hier dargestellten Beispiel in der ersten Gussformhälfte 710 befindet.
Die in die Gussform 710, 720 eingesetzte Magnetfeldspule 150 kann beispielsweise ein fest eingebauter oder integraler Be standteil der Gussform 710, 720 sein, wie dies in Figur 7 veranschaulicht ist, oder modular an die Gussform 710, 720 ansetzbar und von dieser lösbar sein. Im Bereich der Magnet feldspule 150 (z.B. Solenoid 650) kann die Oberfläche 630 der Kavität 730 beispielsweise durch eine austenitische Stahl- platte (entspricht der nicht-ferritischen Platte 640) gebil det sein. Die Gussformhälften 710, 720 können aus ferriti- schem Stahl bestehen. Zuvor beschriebenen Merkmale und Funk tionen der Aktuatoren 100, 200 beziehen sich auch auf die Vorrichtung 700 zur Herstellung eines metallischen Bauteils.
Figur 8 zeigt eine Vorrichtung 800 zur Herstellung eines me tallischen Bauteils in einer Gussform 710, 720. Die Vorrich tung 800 entspricht im Wesentlichen der Vorrichtung 700, wes halb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obige Be schreibung Bezug genommen wird. Dargestellt sind in Figur 8 ferner Werkzeugführungen 810 zum Öffnen und Schließen der Gussformhälften 710, 720 und eine Zuführung (Gate) 820, über die die Metallschmelze in die Kavität 730 eingeleitet werden kann.
Die Vorrichtung 800 umfasst beispielsweise zwei Aktuatoren. Der eine Aktuator weist die Elektroden 110_1 und 110_2 sowie die Magnetfeldspule 150 auf, während der andere Aktuator bei spielsweise allein durch die Elektroden 110_3, 110_4 reali siert ist.
Gemäß Figur 9 kann die Oberfläche 630 der Gussformkavität 730 mehrere Elektroden 110_1, 110_2, 110_1', 110_2' aufweisen, die die Magnetfeldspule 150 (angeordnet hinter der nicht- ferritischen Platte 640) umgeben und beispielsweise symmet risch zu der Magnetfeldspule 150 angeordnet sind. Durch die in Figur 9 gezeigte Anordnung der Elektroden 110_1, 110_2,
110_1', 110_2' polygonal um die Magnetfeldspule 150 herum kann beispielsweise eine beispielsweise rundförmige lokale Bauteilverdickung gegenüberliegend der Magnetfeldspule 150 (Solenoid 650) besonders gut in ihren mechanischen Eigen schaften beeinflusst werden. Die seitlichen Abmessungen der Elektrodenanordnung sind skalierbar und können insbesondere klein sein (z.B. gleich oder kleiner als 150 mm, 100 mm oder 50 mm). Es werden nur geringfügige Umbaumaßnahmen der Guss form erforderlich, weshalb das hier beschriebene Konzept zur Kornfeinung sehr einfach und variabel implementierbar ist.
Die verschiedenen Elektroden dienen zur Richtungsänderung des elektrischen Feldes.
Gemäß Figur 10 kann ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines metallischen Bauteils die folgenden Stadien oder Prozesse umfassen.
Bei S1 wird die Gussform geschlossen. Es kann sich beispiels weise um eine Hochdruckgussform, Niederdruckgussform oder Ko killengussform handeln.
Bei S2 wird die Gussform mit einer Metallschmelze befüllt. Sämtliche erwähnten Befüllungsarten und Materialien von Me tallschmelzen sind einsetzbar.
Bei S3 wird der Aktuator eingeschaltet. Die Beaufschlagungs phase S4 umfasst die Einkopplung des pulsierenden elektri schen Feldes bei S4_l und das optionale gleichzeitige magne tohydrodynamische Durchmischen der Metallschmelze bei S4_2.
Die Beaufschlagungsphase S4 wird beendet und bei S5 ist die Metallschmelze erstarrt, d.h. das Gussbauteil liegt in der festen Phase vor.
Bei S6 kann optional eine weitere, schnelle Abkühlung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Gussbauteils vorgenommen werden. Diese weitere Abkühlung erfolgt zusätz- lieh zur natürlichen Abkühlung durch Wärmeentzug mittels ei ner Kühleinrichtung.
Bei S7 wird optional eine Demagnetisierung und eine Impedanz messung zum Zwecke der Qualitätskontrolle vorgenommen.
Bei S8 wird das fertiggestellte Gussbauteil aus der Gussform entnommen. Der Produktionszyklus kann anschließend bei S1 von neuem beginnen.
Figur 11 veranschaulicht in beispielhafter Weise die zeitli che Abfolge der einzelnen Verfahrensstadien. Dabei ist sche matisch die Temperatur T des Gussbauteils auf der Y-Achse und die Zeit t auf der X-Achse dargestellt.
Mit dem Befüllen der Gussform bei S2 mit der heißen Metall schmelze steigt die Temperatur in der Gussform schlagartig auf einen Maximalwert an. Anschließend erfolgt der Abküh- lungs- und Erstarrungsprozess. Bei ta(S4) wird der Aktuator eingeschaltet und die elektrische oder elektromagnetische Be aufschlagung der Metallschmelze beginnt. Bei te(S4) wird der Aktuator ausgeschaltet und der Beaufschlagungsprozess endet.
Während eines dazwischenliegenden Zeitraums At(S4) erfolgt der Phasenübergang der Metallschmelze von der flüssigen Phase in die feste Phase. Über diesen Zeitraum ist der Beaufschla gungsprozess in der beschriebenen Weise kornfeinend wirksam.
Die weiteren Stadien S6, S7 erfolgen bei der Abkühlung des Gussbauteils in der festen Phase. Bei S8 erfolgt die Entnahme des Gussbauteils und es kann der nächste Produktionszyklus beginnen . Figur 12 veranschaulicht die kornfeinende Wirkung einer mag netohydrodynamischen Einwirkung auf die Metallschmelze mit einem Aktuator, der sowohl ein pulsierendes elektrisches Feld (d.h. einen pulsierenden Stromfluss) als auch ein dieses überlagerndes magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dargestellt ist die bei Versuchen ermittelte mittlere Korngröße einer Gussbauteilprobe in Abhängigkeit von der Entfernung vom Aktu ator (gemessen entlang der Solenoidachse).
Die experimentellen Daten beziehen sich auf einen Schwer- kraftguss einer Metallschmelze aus AlSi7Mg0.3. Die Start- Temperatur der Metallschmelze lag bei 720°C, die Start- Temperatur der Kokille betrug 220°C. Es wurde ein pulsieren der Strom von 100 A, erzeugt von einer stromgesteuerten Stromquelle, mit 20% Lastanteil PWM, mit einer Pulsfrequenz von 50 Hz eingesetzt. Die über die Magnetfeldspule eingekop pelte Leistung betrug lediglich 14 W. Es wurde ein einzelner Aktuator 100 gemäß Figur 1 (mit einer Magnetfeldspule) an ei ner der Gussformwände eingesetzt.
Es wurde im Wesentlichen über die gesamte Bauteildicke eine Reduzierung der Korngröße um etwa 40 % erreicht. Dies ent spricht etwa einer um den Faktor acht erhöhten Anzahl von Körnern, wodurch es zu einer signifikanten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Gussbauteils im Bereich der elektromechanischen Beaufschlagung bzw. der magnetohydrodyna mischen Bewegung der Metallschmelze kommt.
Figur 13 zeigt die aus Zugversuchen ermittelten mechanischen Kennwerte des Gussbauteils, der Zugversuch wurde durchgeführt gemäß DIN EN ISO 6892-1 mit Zugproben gemäß DIN 50125. Das Gussbauteil wurde wie oben beschrieben hergestellt, einzig die Frequenz wurde in diesem Versuch auf 2000 Hz erhöht. Die Wandstärke des Gussbauteils betrug 6 mm. Gegenüber einem Re ferenzbauteil ohne aktiviertem Aktuator wurde eine Verbesse rung der Bruchdehnung E (Elongation) um 333%, der Zugfestig keit Rm [MPa] um 66% und der 0,2-%-Dehnungsgrenze Rpo.2 [MPa] um 13% erzielt.
In der folgenden Tabelle 1 sind die gemessenen mechanischen Eigenschaften von Gussbauteilen zusammengestellt, die mit den in der Tabelle angegebenen jeweiligen Anregungsparametern produziert wurden. Dabei bezeichnet (x W/y %) die Einkopplung einer magnetischen Leistung von x Watt beim Erstarrungsvor gang in die Schmelze und die Einkopplung eines PWM Pulsstroms mit einem PWM-Lastanteil von y % beim Erstarrungsvorgang in die Schmelze. Der PWM Pulsstrom wurde auf 100 A geregelt, wo- bei eine Spannung von etwa IV auftrat, d.h. bei einem PWM- Lastanteil („duty cycle") von z.B. 30-80% werden z.B. etwa 30-80 W elektrische Leistung in die Schmelze eingekoppelt.
Die magnetische Rührleistung lag im Bereich von 10-500W. Tabelle 1 (Mechanische Eigenschaften)
Figure imgf000027_0001
In der Tabelle 1 sind mit YS (0.2% Offset Yield Strength) die 0,2-%-Dehnungsgrenze Rp0.2, mit UTS (Ultimate Tensile Strength) die Zugfestigkeit Rm und mit E (Elongation) die Bruchdehnung bezeichnet.
Die Porosität im Referenzgussbauteil (Aktuator nicht akti viert) betrug 0,8284% mit D5=39pm, D50=141pm, D95=809pm und Dmax=1979pm. Im Gussbauteil mit elektrischer und magnetischer Anregung betrug die Porosität 0,1001% mit D5=llpm, D50=22pm, D95=86pm und Dmax=135pm. D50 bedeutet, dass 50% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert. Durch die elektrische und magnetische Anregung konnte die Porosität deutlich ge senkt werden, außerdem konnte die Größe der Poren (große Po ren können als Rissauslöser wirken), insbesondere der größten Poren (Dmax) stark verringert werden, was sich vor allem in einer erhöhten Bruchdehnung äußert.
Es wird deutlich, dass die mechanischen Eigenschaften durch die elektrische und magnetische Anregung der Schmelze verbes sert werden. Magnetisches Rühren führt zu einer signifikanten Erhöhung von UTS und E. Elektrisches Pulsen erhöht YS leicht und führt zu einer deutlicheren Erhöhung von UTS und E. Die Kombination beider Anregungen führt insgesamt zu den besten Ergebnissen in Bezug auf die gewünschten mechanischen Eigen schaften .
Figur 14 zeigt die gemessene Korngrößenverteilung von Guss bauteilen, die ohne elektrische und magnetische Anregung (Re ferenz), nur mit magnetischer Anregung im Bereich von 1-500W, nur mit elektrischer Anregung im Bereich von 30-80% PWM- Anteil oder sowohl mit magnetischer als auch elektrischer An regung gemäß obiger Beschreibung (d.h. mit jeweils denselben Werten wie in den oben genannten Kurven) produziert wurden. Es zeigt sich, dass allein mit magnetischem Rühren zwar eine im Vergleich zur Referenzverteilung ohne elektrische und mag netische Anregung etwas homogenere Korngrößenverteilung er reichbar ist, die jedoch keine Zunahme der Häufigkeit kleiner Korngrößen zeigt.
Durch elektrisches Pulsen werden sowohl die Homogenität der Verteilung als auch die Häufigkeit kleiner Korngrößen deut lich erhöht. Die mittlere Korngröße wird um 10% bis 20% ver kleinert. Die Korngröße wurde ermittelt gemäß der Vorschrift in Espinal, Laura. "Porosity and its measurement. " Charac- terization of Materials (2002): 1-10.
Bemerkenswerter Weise werden bei einer Kombination von magne tischem Rühren und elektrischem Pulsen nicht nur die Homoge nität der Verteilung nochmals verbessert, sondern auch die Häufigkeit kleiner Korngrößen nochmals deutlich erhöht. Die mittlere Korngröße wird um mehr als 30% verkleinert (gemes sen: 32% Verkleinerung). Die %-Angaben beziehen sich auf die Referenz ohne elektrische und magnetische Anregung. D.h., in Bezug auf die Korngrößenverkleinerung (bzw. die Häufigkeit kleiner Korngrößen) bewirkt die Kombination von magnetischem Rühren und elektrischem Pulsen einen synergistischen Effekt, der signifikant über die Addition der Einzelwirkungen der beiden Anregungsmethoden hinausgeht.
Zusammenfassend zeigen diese und weitere durchgeführte Tests, dass das elektrische Pulsen die Körner deutlich verkleinert und daher zu einer Erhöhung der Festigkeit des Gussbauteils führt. Das magnetische Rühren allein trägt wenig zur Verbes serung der Festigkeit bei, jedoch erhöht es die Gussqualität, indem die Porosität verringert und die Homogenität des Me tallgefüges verbessert wird. Durch eine Kombination beider Maßnahmen lassen sich hochfeste Gussbauteile mit sehr guter Gussqualität hersteilen.

Claims

Patentansprüche
1. Aktuator für eine Gussform zur Herstellung eines metal lischen Bauteils, der aufweist: wenigstens zwei mit der Metallschmelze in Kontakt ste hende Elektroden zur Erzeugung eines lokalen, pulsierenden elektrischen Felds in einer in der Gussform befindlichen Me tallschmelze sowie zur Einleitung eines pulsierenden Stroms in die Metallschmelze.
2. Aktuator nach Anspruch 1, der ferner aufweist: eine Magnetfeldspule zur Erzeugung eines lokalen, magne tischen Feldes in der Metallschmelze, wobei im Betrieb des Aktuators die Magnetfeldspule zwischen den wenigstens zwei Elektroden angeordnet ist.
3. Aktuator nach Anspruch 2, wobei die Magnetfeldspule und die wenigstens zwei Elektroden im Betrieb des Aktuators so angeordnet sind, dass das Magnetfeld im Wesentlichen senk recht zu dem elektrischen Feld verläuft.
4. Aktuator nach Anspruch 2 oder 3, der ferner aufweist: ein die Magnetfeldspule aufnehmendes Gehäuse, welches zum Einbau in eine Wandausnehmung der Gussform vorgesehen ist.
5. Aktuator nach Anspruch 4, der ferner aufweist: eine in dem Gehäuse untergebrachte Kühlmittelkühlung.
6. Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Bauteils, die aufweist: eine Gussform mit einer Kavität zum Gießformen des me tallischen Bauteils; und einen in die Gussform eingesetzten Aktuator, der wenigstens zwei mit der Metallschmelze in Kontakt stehende Elektroden zur Erzeugung eines lokalen, pulsierenden elektrischen Felds in einer in der Gussform befindlichen Metallschmelze sowie zur Einleitung eines pulsierenden Stroms in die Metallschmel ze aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Gussform wenigs tens eine zentrale Ausnehmung für ein Gehäuse einer Magnet feldspule des Aktuators aufweist, wobei die wenigstens zwei Elektroden des Aktuators beidseitig der zentralen Ausnehmung angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Gussform eine Hochdruckgussform, eine Niederdruckgussform oder eine Kokillengussform ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils, das umfasst:
Befüllen einer Gussform mit einer Metallschmelze; und Erzeugen eines lokalen, pulsierenden elektrischen Feldes in einer in der Gussform befindlichen Metallschmelze durch wenigstens zwei mit der Metallschmelze in Kontakt stehende Elektroden zur Einleitung eines pulsierenden Stroms in die Metallschme1ze .
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei durch das elektrische Feld eine Leistung von 30 W bis 5 kW, insbesondere 30 W bis 1 kW oder 30 W bis 200 W in die Metallschmelze eingekoppelt wird und/oder wobei das pulsierende elektrische Feld eine Pulsfrequenz zwischen 1 und 2500 Hz, insbesondere 40 Hz und 2000 Hz oder 40 Hz und 500 Hz aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei infolge des elektrischen Feldes ein gepulster Strom zwischen 2 und 1000 A, insbesondere zwischen 50 und 800 A oder zwischen 90 und 500 A durch die Metallschmelze fließt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, das ferner umfasst:
Erzeugen eines lokalen, magnetischen Feldes in der Me tallschmelze, wobei sich das lokale pulsierende elektrische Feld und das lokale magnetische Feld überlagern.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei durch das magnetische Feld eine Leistung von 10 W bis 10 kW, insbesondere 10 W bis 1 kW oder 20 W bis 500 W in die Metallschmelze eingekoppelt wird und/oder wobei das magnetische Feld eine Wechselstrom frequenz zwischen 5 und 25000 Hz, insbesondere zwischen 30 und 3000 Hz oder 30 und 80 Hz aufweist.
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