DE10028293C2 - Verfahren zur Vibrationsbehandlung von Kupferlegierungsschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung erstarrender Kupferlegie­ rungsschmelzen in Gießformen unter Verwendung von Vibration mit dem Ziel der Einstellung eines feinkörnigen Gefüges.

Die Art des Gefüges ist entscheidend für die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes sowie für die technologischen Gebrauchseigenschaften der gegosse­ nen Bauteile. Für viele Anwendungsgebiete ist es erforderlich, dass bestimmte Gussstückeigenschaften, wie zum Beispiel hohe Druckdichtheit oder Zugfestigkeit, gewährleistet werden. Für die Erzielung der geforderten Kennwerte ist oft die Ein­ stellung eines feinkörnigen Gussgefüges erwünscht. Um diesen Effekt zu errei­ chen, erfolgt eine Kornfeinungsbehandlung des flüssigen bzw. erstarrenden Me­ talls.

Einige Gusslegierungen neigen aufgrund ihres breiten Erstarrungsintervalls zu einer hohen Mikrolunkerung und bringen damit Probleme bei der Erfüllung der Qualitätsanforderungen mit sich. Diese Probleme führen einerseits zu einer un­ vertretbaren Ausschussquote, andererseits dazu, dass durch verstärkten Speiser­ einsatz ein schlechteres Ausbringen in Kauf genommen werden muss. Durch die guten Einsatzmöglichkeiten dieser Legierungen und dem daraus resultierenden hohen Bedarf entstehen den produzierenden Unternehmen durch die genannten Erstarrungsprobleme ein Mehraufwand an Energie und hohe Kosten durch die mechanische Bearbeitung. Trotz aller Bemühungen und Kompromisse kann aber ein bestimmter Bedarf nicht befriedigt werden. Das Erstarrungsverhalten einiger Legierungen führt zu Grenzen in ihrer Anwendbarkeit. Umfassende Lösungen werden bisher nicht angeboten.

Man unterscheidet zwei Gruppen der Behandlungsverfahren: die chemisch- metallurgische und die physikalische Kornfeinung.

Bei der chemisch-metallurgischen Methode erfolgt ein Substanzeintrag in die Schmelze, der Fremdkeime zur Kristallisation des betreffenden Werkstoffs liefern soll. Neben der gewünschten Kornfeinung können allerdings auch unerwünschte Nebeneffekte auftreten. So ist es zum Beispiel möglich, dass die Fremdstoffe außer Keimen auch Gefügeheterogenitäten bilden, die zur Verschlechterung der me­ chanischen Eigenschaften führen können (Zeitschrift Metall, Jahrgänge 47, 48; Hefte 11, 2, 7; Seiten 11, 123 ff, 538 ff). Chemische Kornfeinung bedeutet außer­ dem einen weiteren Arbeitsschritt im gießtechnologischen Prozess. Hinsichtlich umwelttechnischer Aspekte steift die chemisch-metallurgische Kornfeinung eine zusätzliche Belastung dar.

Die Verfahren der physikalischen Kornfeinung beruhen darauf, dass in die erstar­ rende Schmelze ein Energieeintrag erfolgt. Diese Verfahren haben den Vorteil, dass der Schmelze im Gegensatz zur chemischen Behandlung keine Fremdsubs­ tanzen zugeführt werden müssen. Die Keime zum Wachstum globulitischer Kris­ talle werden von der teilerstarrten Schmelze selbst gebildet.

Die Möglichkeit der Behandlung erstarrender Metallschmelzen durch einen Schwingungseintrag (Vibration bzw. Ultraschall) ist bereits seit vielen Jahren be­ kannt (Balandin, G. F.: Kristallisation und Kristallstruktur in Gussstücken. Dt. Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1974).

Die ersten Untersuchungen, die sich mit den Möglichkeiten eines Energieeintrages in erstarrende Metallschmelzen beschäftigten, liegen schon recht lange zurück. Mit verschiedenartiger Versuchstechnik wurden die Untersuchungen durchgeführt. Als physikalische Behandlungsmethoden kamen die elektromagnetischen Ver­ fahren, Ultraschall- oder Vibrationsverfahren bzw. die mechanische Manipulation der freien Oberfläche zur Anwendung.

Diese Untersuchungen, die sich mit verschiedenen Werkstoffen beschäftigten, lassen einheitlich ein ziemlich empirisches Herangehen an die Problematik erken­ nen. Mit vorhandenen Schwingungserregern wurden ohne große Varia­ tionsmöglichkeiten im Labormaßstab Versuche durchgeführt, wobei die Ver­ wendung von Sandformen kaum eine Rolle spielte. Es wurden aber Ergebnisse, wie Feinkörnigkeit, erhöhte Dichte, Entgasungswirkung oder verbesserte mecha­ nische Eigenschaften, festgestellt (z. B. Transact. of the Japan Foundrymen's Soc.; 1992, Seite 17).

Ein weiterer positiver Aspekt der physikalischen Behandlungverfahren ist die Möglichkeit, mit Hilfe der Vibration das Formfüllungs- und Fließvermögen zu ver­ bessern.

Dabei existieren unterschiedliche Deutungen, welche Wirkungen die physikalische Schmelzebehandlung auf den Erstarrungsprozess hervorruft.

Es wird auf dem Gebiet des Energieeintrages in erstarrende Metallschmelzen auch in jüngster Zeit verstärkt geforscht. Ein Teil der Untersuchungsmethoden beruht dabei auf der Nutzung einer komplizierten Ultraschallbehandlung bzw. elektromagnetischer Vibration während der Erstarrung (z. B. New Technology Ja­ pan; 1995; Seite 14).

Bei einer Analyse der Arbeiten zur Forschungsproblematik ist feststellbar, dass zeitlich punktuelle Anhäufungen von Veröffentlichungen vorliegen, d. h. man kann einen wellenartigen Charakter im Laufe der Zeit beobachten.

Trotz wiederholenden Aufgreifens dieser Problematik scheiterte bisher die techni­ sche Realisierung. Die positiven Effekte sind noch nicht beherrschbar und um­ setzbar.

Es muss eingeschätzt werden, dass die physikalische Behandlung von Metall­ schmelzen während der Erstarrung eine geeignete Methode zur Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften darstellt. Ihre breite Anwendung kann aufgrund fehlender Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen der drei am Gesamtvorgang be­ teiligten Komponenten Stoff, Maschine und deren beider Zusammenführung im unmittelbaren Behandlungsprozess bisher nicht gewährleistet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem eine physikali­ sche Behandlung erstarrender Kupferlegierungsschmelzen erfolgt, um verbesserte Werkstoffeigenschaften zu erzielen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Gießform (Sandform oder Kokille) wird auf einem Vibrationstisch fest veran­ kert. An diesem Tisch sind Vibratoren befestigt, die die Variation der Prozesspa­ rameter, wie z. B. Frequenz, Amplitude, Beschleunigung sowie Schwingungsrich­ tung, -art und -dauer ermöglichen. Die Schwingungrichtung kann horizontal oder vertikal sein. Es konnte gefunden werden, dass Frequenzen zwischen 20 und 60 Hz besonders günstig sind. Die Amplituden sollten bei Sandformen kleiner als 1 mm sein, um die Formstabilität zu gewährleisten. Nach Beendigung der Formfüllung beginnt der Energieeintrag und wird bis gegen Ende der Erstarrung beibe­ halten. Die Beschleunigungen betragen ca. 1-3 g und der Schwingungseintrag kann horizontal oder vertikal erfolgen. Durch diese Beeinflussung der Schmelze während der Erstarrung wird es möglich, ein über den Querschnitt des Gussteils homogenes und feinkörniges Gussgefüge zu erzielen.

Neben dem herkömmlichen Gießverfahren ist diese Schmelzebehandlungsvari­ ante auch für die Anwendung bei Kippguss geeignet.

Beim Kippguss befindet sich die Form auf einer der Größe des Kastens entspre­ chenden Kippvorrichtung, die mit dem Vibrationstisch gekoppelt ist. Vor dem Gießvorgang wird die Form nach vorn gekippt und während des Eingießens des flüssigen Metalls gleichmäßig in die Waagerechte zurückgekippt. Gleichzeitig er­ folgt der Vibrationseintrag. Nach Beendigung des Gießvorganges wird der Kipptisch um 35° bis 60° nach hinten gekippt.

Der Einguss liegt nun oberhalb des Gussstückes. Er kann damit gleichzeitig als Speiser wirken und ist in der Lage, infolge des entstehenden hohen metallosta­ tischen Druckes, das Gussstück besser zu speisen. Die Kombination von Kippguss und Vibrationseintrag stellt einen Vorteil hinsichtlich der erreichbaren Gussteileigenschaften dar. Es ermöglicht eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften um bis zu 40 Prozent.

Für die Rotgusslegierung Rg5 wurden Parameter ermittelt, die zu einem feinkörni­ gen Gefüge und zu verbesserten Eigenschaften führen. Im Bild 1 wird die erzielte Feinkörnigkeit des Gefüges bei einem unter Vibration erstarrten Gussteil im Ver­ gleich zu einem in Ruhe erstarrten Teil sichtbar.

Die Erfindung soll am nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Eine Kupferlegierungsschmelze (Rg5: 85% Cu; 5% Sn; 5% Zn; 5% Pb) wird in eine Sandform (Rundstäbe) gegossen. Die Sandform ist auf einem Vibrationstisch mit Kippvorrichtung fest verankert. An diesem Tisch befinden sich zwei Elektrovib­ ratoren, die mit einem Frequenzumrichter gekoppelt sind. Bevor der Gießvorgang beginnt, wird die Form um 30° in Richtung Einguss geneigt. Während des Formfüllprozesses wird die Form wieder in die Waagerechte gebracht. Gleichzeitig wird die Vibration gestartet. Mit den Parametern
Frequenz: 30 Hz,
Beschleunigung: ca. 1,5 g, (entspricht ca 15 m/s²)
Schwingungsrichtung: vertikal,
Schwingungsdauer: ca. 5 min (bis Erstarrungsende)
wird in die Form Energie eingebracht. Nach Beendigung des Gießvorganges wird die Kippvorrichtung um 45° nach hinten gekippt.

Der Energieeintrag während der Erstarrung führt dazu, daß sich ein feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge einstellt, was verbesserte Gussteileigenschaften hervorruft. Probleme, die durch große Wanddickenunterschiede entstehen, können vermie­ den werden.

Aus den abgegossenen Probestäben wurden Zugproben herausgearbeitet und Zugversuchen unterzogen.

Nach Auswertung der Zugversuche konnte in Abhängigkeit vom Probestabdurch­ messer eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften bei den unter Vibration erstarrten Proben verzeichnet werden (Bild 2).

Claims (2)

1. Verfahren zur Vibrationsbehandlung von Kupferlegierungsschmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass in eine auf einem Vibrationstisch verankerte Gießform eine Kupferlegierungsschmelze gegossen, nach dem Formfüllprozess eine Vibration mit den Parametern:
Frequenz: 20 bis 100 Hz
Amplitude: < 1 mm
Beschleunigung: ca. 10-30 m/s²
Schwingungsrichtung: vertikal oder horizontal
gestartet und zum Erstarrungsende der Energieeintrag mittels Vibration beendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der fest verankerte oder als Kipptisch gestaltete Vibrationstisch durch Vibratoren hinsichtlich Frequenz, Am­ plitude, Beschleunigung sowie Schwingungsrichtung variabel in Schwingungen versetzt wird.