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EP1046444B1 - Druckgiessverfahren - Google Patents

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Publication number
EP1046444B1
EP1046444B1 EP99107814A EP99107814A EP1046444B1 EP 1046444 B1 EP1046444 B1 EP 1046444B1 EP 99107814 A EP99107814 A EP 99107814A EP 99107814 A EP99107814 A EP 99107814A EP 1046444 B1 EP1046444 B1 EP 1046444B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
casting
piston
melt
pressure
mouth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99107814A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1046444A1 (de
Inventor
Evgueni Dr.-Ing. Sterling
Gerhart Dr. Dipl.-Kfm. Peleschka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ritter Aluminium Giesserei GmbH
Original Assignee
Ritter Aluminium Giesserei GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ritter Aluminium Giesserei GmbH filed Critical Ritter Aluminium Giesserei GmbH
Priority to EP99107814A priority Critical patent/EP1046444B1/de
Priority to DE59900928T priority patent/DE59900928D1/de
Priority to AT99107814T priority patent/ATE213980T1/de
Priority to CN00106494A priority patent/CN1270863A/zh
Priority to JP2000111666A priority patent/JP2000312958A/ja
Priority to BR0001645-4A priority patent/BR0001645A/pt
Priority to KR1020000020552A priority patent/KR20000071729A/ko
Publication of EP1046444A1 publication Critical patent/EP1046444A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1046444B1 publication Critical patent/EP1046444B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/14—Machines with evacuated die cavity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/2015—Means for forcing the molten metal into the die
    • B22D17/2053—Means for forcing the molten metal into the die using two or more cooperating injection pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/08—Cold chamber machines, i.e. with unheated press chamber into which molten metal is ladled
    • B22D17/10—Cold chamber machines, i.e. with unheated press chamber into which molten metal is ladled with horizontal press motion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/2015—Means for forcing the molten metal into the die
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/2015—Means for forcing the molten metal into the die
    • B22D17/2069—Exerting after-pressure on the moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/30—Accessories for supplying molten metal, e.g. in rations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/09—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure
    • B22D27/11—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of mechanical pressing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for Manufacture of castings from Al and Mg alloys, in which in a horizontal casting chamber equipped with a casting piston there is a vacuum from the start of the casting process and in which the melt volume introduced into the casting chamber cools to the semi-rigid state and by means of an electromagnetic Field is stirred, then the melt volume accelerated for introduction into the die and before or at the latest when the gate of the die is reached is put under pressure.
  • a method of the type mentioned is from the EP 0733421A1 known.
  • the casting chamber can basically be horizontal or arranged vertically. From this arrangement there are specific advantages and disadvantages for the casting process, resulting from the respective characteristic flow of the melt Lead to the mold cavity before the pouring opening.
  • a distinguishing feature that is typical of the die casting process can be viewed with the horizontal casting chamber is the formation of a hydrodynamically unstable melt flow, that fills the die at a very high speed.
  • the filling process is more like a splash than a flow, whereby air and oxidic inclusions are introduced into the casting which will then crack inside the casting as well Create bubbles on the surface.
  • the cast metal only fills one Part of the horizontal cylindrical casting chamber and thereby forms a movable, non-cylindrical shape, one side surface is delimited by the plunger, while the other side surface in the direction of flow are referred to as open space can, because there is no geometrically defined dimensional limit.
  • a laminar inflow is intended thereby filling the die with the melt achieved that the melt, the temperature of which is somewhat higher than the liquidus temperature is in the casting chamber by cooling and then heating in a metallic suspension and is then pressed into the mold cavity under pressure.
  • the conditions mentioned are not sufficient, to achieve a laminar flow.
  • the melted material strikes on the wall of the movable mold half and flows (the shown Arrangement accordingly) in the die as one scattered free jet.
  • a quality improvement e.g. by a densification of the already crystallizing casting not possible after the arrangement described. Thereby becomes the practical use of the known method limited and not the production of improved end products allows.
  • the invention is therefore based on the object of a die casting method that described in the preamble of the skin claim To create type in which the filling of the die with a hydrodynamically stabilized melt flood occurs and the Crystallization of the casting under an additional compression pressure is effected without dispersing the inflow jet.
  • the casting chamber with a counter pressure piston and a compression piston provided that a geometrically restricted space form that does not end before the gate. This is through a special execution of the casting chamber has been made possible has a tee configuration.
  • the casting piston and the counter pressure piston are arranged opposite each other in the casting chamber, during the compression pistons in the vertical channel of the T-piece configuration is stored.
  • This piston arrangement is of great importance and determines the main technological process advantages.
  • the one in the casting chamber located melt is in the by shifting the opposite piston first into a cylindrical shape brought, so that a uniform pressure distribution at the "casting piston melt flood" contact surface he follows. Also occur in compressed cylindrical melt volume elastic liquid Waves on the formation of globular primary crystals stimulate in the casting chamber. Beyond that it is possible in the method according to the invention from the unstable Melt flood a hydrodynamically stable metallic suspension with specifically adjustable rheological properties.
  • the development and maintenance of the rheo effect is through the Introduction of a metallic cooling powder into the melt reached.
  • the crystallization conditions that occur in the Pouring chamber are created so that the morphology of the structure not mainly from heat dissipation through the walls of the Casting chamber depends, but on new solid, exogenous nuclei.
  • the nuclei bring the melt in a short period of time in the semi-rigid state and thereby ensure a crystallization rate that for the simultaneous and even appearance of solid phases leads in the entire melt volume and for temperature homogeneity the occurring metallic suspension.
  • the increasing external pressure in the closed melt volume plays a role in the creation of microporosity in the casting extremely important role, because on this stage laid the basis for the production of non-porous castings becomes.
  • the pores created by the nucleation process can only exist in the melt stable when the difference is out the gas pressure and the pressure of the melt is greater than the capillary pressure from the surface tension of the melt. Therefore will - to the nucleation of pores during solidification prevent - the melt pressure increases what the inventive Process in the casting chamber in the compressed material volume takes place.
  • the one occurring in the metallic suspension Pressure is the sum of the existing hydromechanical pressure and the internal hydrostatic pressure. It nucleates of pores almost impossible and creates crystallization conditions, which significantly affects the density value of the end product increases.
  • the melt which has a uniform temperature and is hydrodynamically stabilized, is moved with the counter-pressure piston in the gate direction.
  • This movement enables a type of inflow, which is offset frontally with respect to the flow front of the melt, and which can be referred to as laminar because of its filling from the mouth side.
  • This stage plays a very important role in filling the casting steps with a vortex-free melt jet.
  • Another advantageous embodiment of the method according to the invention also consists in the fact that the opposite surface or
  • End face of casting and counter pressure pistons are designed that it was concave ellipsoidal, and reversed Display profiles. In this way, such profiles in Gap a cylinder with two spherical sections each. Furthermore, the shape of the compressed melt volume referred to as a cylinder or as a cylindrical volume.
  • Diameter of the end face of the compression piston the inner Diameter of the cylindrical formed by casting and counter pressure pistons Contour must correspond. This will not only be a Avoiding scattering when flowing in, but it will also Metal loss reduced because there is no metal residue in the Gate opening is created. Targeted post-compression can also be used of the solidifying casting.
  • a melting tank 1 is provided by means of a suction pipe 2 is connected to a T-configuration casting chamber 3 (further: Casting).
  • a mouth 4 this stands with a Die casting chamber 5 connected between a movable Mold half 6 and a fixed mold half 7 is.
  • the area of the casting chamber 3 are casting pistons 8 and counterpressure pistons 9 arranged, while in the vertical channel a compression piston 10 is stored.
  • the suction pipe 2 and the casting chamber 3 are with a powder metering device 11 and an electromagnetic Stirring device 12 equipped, the casting chamber 3 encloses in a ring.
  • a practical application of the invention is illustrated Representation described in Figures 1 to 7.
  • a given one Melt volume of the melt 13 passes from the Melting container 1 into the T-configuration casting chamber by means of the suction pipe 2 3.
  • the molten material is included a cooling powder mixed in the suction pipe 2; this happens through the powder metering device 11 ( Figure 2).
  • the powder is calling a cooling effect, causing overheating areas in the melt and supercooling areas are balanced and the crystallization process and ultimately the homogeneity of the Casting can be improved.
  • the cooled melt gets into the casting chamber 3 in front of the casting piston 8, which has a position P8-1 occupied, and after a short time begins to primary crystals produce, which have a preferably round shape.
  • the positioning of the counter pressure piston 9th Before the Melt entry changes the positioning of the counter pressure piston 9th
  • a short-term pressure reduction - because of the withdrawal from Piston 9 - is by means of the casting piston displacement in the next Stage balanced ( Figure 5).
  • the change of position from P8-2 after P8-3 ends before the gate opening 4, being the movement of the piston 8 is coupled to the counter-pressure piston 9.
  • the metallic suspension fills the pouring passage and the mouth and is caused by hydromechanical piston action in the die casting chamber 5 pushed out.
  • the face of the plunger 8 just like the counter-pressure piston 9 a concave, ellipsoidal Profile, a small, cylindrical one is formed in the space Material area that is directly under the gate opening 4 and above the compression piston 10 in is in an elasto-plastic state. This "memory" serves to make up the already crystallizing casting can.
  • FIG. 7 shows an important embodiment of the deformation region in accordance with the invention when the metal flows in ( ⁇ M diameter of the cylindrical melt volume, ⁇ k diameter of the contour formed by the casting piston and counterpressure piston head surface).
  • the contour-closed design allows a vortex-free die-casting mold filling, feeding and post-compression of the end product. It also creates the possibility of considerably reducing the metal loss (reduction of the baling residue).

Landscapes

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  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gußstücken aus Al- und Mg-Legierungen, bei dem in einer horizontalen Gießkammer, die mit einem Gießkolben ausgerüstet ist, von Anfang des Gießvorganges an ein Vakuum besteht und bei dem das in die Gießkammer eingebrachte Schmelzevolumen zum halberstarrten Zustand abkühlt und mittels eines elektromagnetischen Feldes gerührt wird, sodann das Schmelzevolumen zum Einbringen in die Druckgießform beschleunigt und vor oder spätestens beim Erreichen der Anschnittmündung der Druckgießform unter Druck gesetzt wird.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der EP 0733421A1 bekannt. Dabei kann grundsätzlich die Gießkammer horizontal oder vertikal angeordnet werden. Aus dieser Anordnung ergeben sich spezifische Vor- und Nachteile für den Gießprozeß, die sich aus dem jeweiligen charakteristischen Fluß der Schmelze vor der Eingießöffnung zur Formkavität ableiten.
Ein Unterscheidungsmerkmal, das als typisch für das Druckgießverfahren mit der horizontalen Gießkammer angesehen werden kann, ist die Bildung eines hydrodynamisch instabilen Schmelzeflusses, der mit sehr hoher Geschwindigkeit die Druckgießform füllt. Der Füllvorgang gleicht dabei eher einem Spritzen als einem Fließen, wodurch Luft und oxidische Einschlüsse in das Gußstück eingebracht werden, die dann Risse im Inneren des Gußteils sowie Blasen an der Oberfläche erzeugen.
Im praktischen Anwendungsfall füllt das Gießmetall nur einen Teil der horizontalen zylindrischen Gießkammer und bildet dabei eine bewegliche, nichtzylinderförmige Form, deren eine Seitenfläche vom Gießkolben begrenzt ist, während die andere Seitenfläche in der Strömungsrichtung als Freifläche bezeichnet werden kann, weil es keine geometrisch ausgeprägte Maßbegrenzung gibt. Die vorgegebene konstante hydromechanische Kraft, welche auf die instabile Kontaktfläche "Gießkolben - Schmelzeflut" einwirkt, kann sich nicht gleichmäßig auf diese verteilen. Dadurch wird eine Bewegung verursacht, die zum hydrodynamischen Stau vor der Anschnittmündung führt und als Ausströmungsbehinderung wirkt. Wenn der hydrodynamische Prozeß in diesem Verfahrensabschnitt nicht in einen stabilen Zustand gebracht wird, kann er auch nicht in der nächsten Etappe die gewünschte Stabilität erreichen. Der aus dem Ausflußquerschnitt austretende wirbelartige Strahl zerstiebt noch stärker in der nächsten Arbeitsphase, während der die schon turbulente Schmelzeflut mit der entsprechenden Druckkolbengeschwindigkeit an die Wand der beweglichen Formhälfte schlägt. Dabei tritt noch eine Erhöhung der Einströmungsgeschwindigkeit durch die Querschnittsverengung in der Anschnittsverengung auf.
Nach der EP 0 733 421 A1 soll jedoch eine laminare Einströmung bei der Auffüllung der Druckgießform mit der Schmelze dadurch erreicht werden, daß die Schmelze, deren Temperatur etwas höher als Liquidustemperatur ist, in der Gießkammer durch Abkühlung und danach Erwärmen in eine metallische Suspension gebracht und dann in die Formkavität unter Druck eingepreßt wird. Für die Beibehaltung der bei Druckguß erforderlichen Formfüllzeiten von 5 bis 100 ms sind die genannten Bedingungen jedoch nicht ausreichend, um eine laminare Strömung zu erzielen. Es gibt keine Hinweise, ob und wie in der Gießkammer ein Ausgleich der Strömungsgeschwindigkeit erfolgen könnte. Es wird daher in der die Gießkammer entlang fließenden Strömung ein turbulenter Charakter vorherrschen, der im Bereich des Ambosses zu einer Wirbelbildung und einem Metallstau führt. Das Schmelzegut schlägt an die Wand der beweglichen Formhälfte auf und fließt (der dargestellten Anordnung entsprechend) in die Druckgießform als ein zerstiebter Freistrahl. Eine Qualitätsverbesserung, z.B. durch eine Nachverdichtung des schon kristallisierenden Gußstücks, ist nach der beschriebenen Anordnung auch nicht möglich. Dadurch wird die praktische Verwendung des bekannten Verfahrens beschränkt und die Herstellung verbesserter Endprodukte nicht ermöglicht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Druckgießverfahren der im Oberbegriff des Hautanspruches beschriebenen Art zu schaffen, bei welchem die Füllung der Druckgießform mit einer hydrodynamisch stabilisierten Schmelzeflut erfolgt und die Kristallisation des Gußstücks unter einem zusätzlichen Verdichtungsdruck bewirkt wird, ohne den Einströmungsstrahl zu zerstieben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den in den Patentansprüchen 1 und 6 angegebenen Merkmalen gelöst. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus der in die Gießkammer eintretenden Schmelze vor der Beschleunigung ein flüssiger Zylinder gebildet und dessen Gestalt bis zur hydrodynamischen Stabilisierung, dem Temperaturausgleich und der gleichmäßigen Druckverteilung im Vormaterial erhalten, wobei das kristallisierende Metall nach der Auffüllung der Druckgießform mit dem speziell dafür gebildeten Schmelzevolumen zugespeist und das Erstarren des Gußstücks unter dem zusätzlichen gezielten Verdichtungsdruck durchgeführt wird.
Um das Herstellungsverfahren auf solche Weise zu verwirklichen, ist die Gießkammer mit einem Gegendruckkolben und einem Verdichtungskolben versehen, die einen geometrisch beschränkten Raum bilden, der nicht vor Anschnittmündung endet. Dies ist durch eine besondere Ausführung der Gießkammer ermöglicht worden, die eine T-Stück-Konfiguration hat. Der Gießkolben und der Gegendruckkolben sind in der Gießkammer gegenüberliegend angeordnet, während der Verdichtungskolben im senkrechten Kanal der T-Stück-Konfiguration gelagert ist.
Diese Kolbenanordnung ist von großer Bedeutung und bestimmt die wichtigsten technologischen Verfahrensvorteile. Die in der Gießkammer befindliche Schmelze wird in der durch Verschiebung des gegenüberliegenden Kolbens zuerst in eine zylindrische Form gebracht, so daß eine gleichmäßige Druckverteilung an der "Gießkolben-Schmelzeflut"-Kontaktfläche erfolgt. Außerdem treten im zusammengedrückten zylinderförmigen Schmelzevolumen elastischflüssige Wellen auf, die die Bildung von globularen Primärkristallen schon in der Gießkammer stimulieren. Darüber hinaus ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, aus der unstabilen Schmelzeflut eine hydrodynamisch stabile metallische Suspension mit gezielt einstellbaren rheologischen Eigenschaften herzustellen.
Die Entwicklung und Erhaltung des Rheo-Effektes wird durch die Einführung eines metallischen Abkühlungspulvers in die Schmelze erreicht. Die Kristallisationsbedingungen, die dabei in der Gießkammer entstehen, sind so, daß die Morphologie des Gefüges nicht hauptsächlich von der Wärmeableitung durch die Wände der Gießkammer abhängt, sondern von neuen festen, exogenen Kristallisationskeimen. Die Kristallisationskeime bringen die Schmelze in einem kurzen Zeitabschnitt in den halberstarrten Zustand und stellen dadurch eine Kristallisationsgeschwindigkeit sicher, die zum gleichzeitigen und gleichmäßigen Auftreten von festen Phasen im ganzen Schmelzevolumen führt und für die Temperaturhomogenität der auftretenden metallischen Suspension sorgt.
Der zunehmende äußere Druck im geschlossenen Schmelzevolumen spielt bei der Entstehung von Mikroporosität im Gußstück eine außerordentlich wichtige Rolle, weil nämlich auf dieser Etappe die Basis für die Herstellung vor porenfreien Gußteilen gelegt wird. Die durch den Keimbildungsprozeß entstehenden Poren können nur in der Schmelze stabil existieren, wenn die Differenz aus dem Gasdruck und dem Druck der Schmelze größer ist als der Kapillardruck aus der Oberflächenspannung der Schmelze. Deshalb wird - um die Keimbildung von Poren während der Erstarrung zu verhindern - der Schmelzedruck vergrößert, was beim erfindungsgemäßen Verfahren in der Gießkammer im komprimierten Materialvolumen stattfindet. Der in der metallischen Suspension auftretende Druck ist die Summe des vorhandenen hydromechanischen Drucks und des inneren hydrostatischen Drucks. Er macht eine Keimbildung von Poren nahezu unmöglich und schafft Kristallisationsbedingungen, die den Dichtewert des Endproduktes wesentlich steigert.
Im geschlossenen, zusammengedrückten Schmelzevolumen laufen während des Kolbeneinsatzes bezüglich der speziellen Schmelzebehandlung gleichzeitig folgende Prozesse ab: eine hydrodynamische Stabilisierung, ein Temperaturausgleich und eine gleichmäßige Druckverteilung im ganzen zylindrischen Materialvolumen. Eine Materialbeschleunigung, die dieser Stabilisierungsetappe nachfolgt, wird erfindungsgemäß aber nicht vom hydromechanischen Druck des Gießkolbens beeinflußt, sondern sie kommt aus dem hydrodynamischen Gegendruck, der durch den Einsatz des Gegendruckkolbens bewirkt wird. Im Zusammenhang damit steht eine besondere Ausgestaltung der Gießkammer, wobei es auf den Rückzug des Gegendruckkolbens bis zum Anschnitt bzw. bis zu der Position, an der die Anschnittmündung freigelassen ist, ankommt. Wegen der schnellen Kolbenverschiebung entsteht auf der freien Kontaktfläche des flüssigen Zylinders ein Druckabfall und die Schmelze ist bestrebt, in den freigelassenen Kammerraum einzufließen. Die eine gleichmäßige Temperatur aufweisende und hydrodynamisch stabilisierte Schmelze wird mit dem Gegendruckkolben in Anschnittrichtung bewegt. Diese Bewegung ermöglicht durch eine im Bezug auf die Strömungsfront der Schmelze frontal versetzte Kolbenfront eine Einströmungsart, die wegen ihrer von der Mündungsseite her erfolgenden Auffüllung als laminar bezeichnet werden kann. Diese Etappe spielt eine ganz wichtige Rolle, um die Gießgänge mit einem wirbelfreien Schmelzestrahl zu füllen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, daß die gegenliegende Fläche bzw.
Stirnfläche von Gieß- und Gegendruckkolben so ausgeführt sind, daß sie konkave ellipsoidförmige, und zwar seitenvertauschte Profile darstellen. Auf diese Weise gestalten solche Profile im Zwischenraum einen Zylinder mit jeweils zwei Kugelabschnitten. Im weiteren wurde die Gestalt des zusammengedrückten Schmelzevolumens als Zylinder bzw. als zylinderförmiges Volumen bezeichnet.
Die besondere Kolbenausführung schafft weitere technologische Vorteile:
  • Bei einer kurzzeitigen Druckreduzierung - wegen des Rückzuges vom Gegendruckkolben - wird der Druck mittels der Gießkolbenverschiebung nivelliert. Die Druckgießform wird schon mit den nächsten Schmelzeportionen unter dem hydromechanischen Druck der Gießkolbenbeschleunigung aufgefüllt. Der Kolbenweg endet im Mündungsbereich mit einer Aufkopplung an dem Gegendruckkolben, wodurch ein kleines zylinderförmiges Schmelzevolumen geschaffen wird, das unter der Anschnittmündung und oberhalb des Verdichtungskolbens angeordnet ist. Das Schmelzevolumen hat im zusammengedrückten Zustand eine gemeinsame Achse mit der Mündung und dem Verdichtungskolben. Hierdurch wird in der Nähe der Druckgießform bzw. dem Mündungsanschnitt ein zusätzliches Schmelzevolumen ausgebildet, das in das schon kristallisierende Gußstück noch vor seinem letztendlichen Erstarren zugespeist werden kann.
  • Durch das Einpressen des Schmelzevolumens findet zusätzlich ein gezieltes Verpressen des kristallisierenden Gußstücks mittels des Verdichtungskolbens statt. Um die geschilderten technologischen Operationen zu realisieren, ist der Verdichtungskolben in den senkrechten Teil der T-Konfiguration-Gießkammer so eingebaut, daß er eine senkrechte Verschiebung in Richtung Mündungsbereich durchführen kann. Das zwischen den Gieß- und Gegendruckkolben geformte Schmelzevolumen wird aufgrund dieser Anordnung durch die Beschleunigung des Verdichtungskolbens in die Druckgießform mit der entsprechenden hydromechanischen Kraft gepreßt.
    • Eine dafür obligatorische konstruktive Bedingung ist, daß der Durchmesser der Stirnfläche des Verdichtungskolbens dem inneren Durchmesser der von Gieß- und Gegendruckkolben geformten zylindrischen Kontur entsprechen muß. Dadurch wird nicht nur ein Zerstieben beim Einströmen vermieden, sondern es wird auch der Metallverlust herabgesetzt, weil kein Metallrest in der Anschnittmündung entsteht. Ferner kann eine gezielte Nachverdichtung des erstarrenden Gußstücks durchgeführt werden.
    Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichung. Diese zeigt in
    Figur 1
    eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vakuum-Druckgießmachine, in T-Konfiguration ausgerüstet, mit Gießkammer, Gieß-, Gegendruck- und Verdichtungskolben,
    Figur 2
    die Kolbenposition bei der Füllung der Gießkammer mit der Schmelze,
    Figur 3
    die Kolbenposition, bei der die Schmelze in eine zylindrische Form und einen zusammengedrückten Zustand gebracht ist,
    Figur 4
    die Kolbenposition, bei der die entstehende metallische Suspension unter dem hydrodynamischen Druck in die Druckgießform einströmt,
    Figur 5
    die Kolbenposition, bei der unter der Mündung ein "Speicher" angelegt wird,
    Figur 6
    die Kolbenposition, bei der die Zuspeisung und die Verdichtung des kristallisierenden Gußstücks durchgeführt werden und
    Figur 7
    einen horizontalen Schnitt durch die in T-Konfiguration angeordneten Gießkolben, Gegendruckkolben und Verdichtungskolben nach Abschluß des Füllvorgangs.
    Bei der in Figur 1 schematisch gezeigten Druckgießmaschine ist ein Schmelzbehälter 1 vorgesehen, der mittels eines Saugrohres 2 mit einer T-Konfiguration-Gießkammer 3 verbunden ist (im weiteren: Gießkammer). Durch eine Mündung 4 steht diese mit einer Druckgießkammer 5 in Verbindung, die zwischen einer beweglichen Formhälfte 6 und einer festen Formhälfte 7 liegt. Im horizontalen Bereich der Gießkammer 3 sind Gießkolben 8 und Gegendruckkolben 9 angeordnet, während im senkrechten Kanal ein Verdichtungskolben 10 gelagert ist. Das Saugrohr 2 und die Gießkammer 3 sind mit einer Pulverdosiervorrichtung 11 und einer elektromagnetischen Rühreinrichtung 12 ausgerüstet, die die Gießkammer 3 ringförmig umschließt.
    Eine praktische Anwendung der Erfindung wird mit der zeichnerischen Darstellung in den Figuren 1 bis 7 beschrieben. Ein vorgegebenes Schmelzevolumen der Schmelze 13 gelangt aus dem Schmelzbehälter 1 mittels des Saugrohres 2 in die T-Konfiguration-Gießkammer 3. Das geschmolzene Material wird dabei mit einem kühlenden Pulver im Saugrohr 2 vermischt; dies erfolgt durch die Pulverdosiervorrichtung 11 (Figur 2). Das Pulver ruft einen Abkühlungseffekt hervor, wodurch Überhitzungsbereiche in der Schmelze und Unterkühlungsbereiche ausgeglichen werden und der Kristallisationsprozeß und letztendlich die Homogenität des Gußstücks verbessert werden. Die abgekühlte Schmelze gelangt in die Gießkammer 3 vor den Gießkolben 8, der eine Position P8-1 besetzt, und fängt schon nach kurzer Zeit an, Primärkristalle zu produzieren, die eine vorzugsweise runde Gestalt haben. Vor dem Schmelzeeintritt ändert sich aber die Positionierung des Gegendruckkolbens 9.
    Mit einer Verschiebung entlang der Gießkammer 3 läßt der Kolben 8 seine Ausgangsposition P8-1 hinter sich, um die Position P8-2 zu besetzen (Fig.3). Hierdurch bildet sich in der Gießkammer 3 ein geometrisch begrenzter Raum, enthaltend die eingeschlossene Schmelze zwischen dem Gieß- und Gegendruckkolben, die dabei nicht in Berührung mit der Anschnittmündung 4 kommt.
    Beim herkömmlichen Verfahren weist die Schmelzeflut beim Eintritt in die Gießkammer 3 eine stark ausgeprägte hydrodynamische Instabilität auf, welche sich während des Druckanstiegs entwikkelt. Erfindungsgemäß wird durch die Verschiebung des Gießkolbens 8 nicht nur eine Stabilisierung, sondern auch eine Temperaturhomogenität im Schmelzevolumen erreicht. Der Gießkolben 8 bewegt sich nach vorn und dabei dem Gegendruckkolben 9 entgegen und besetzt eine Position P8-2. Er wirkt auf die instabile Schmelze mit einer konstanten Antriebskraft, schiebt sie vor sich und zwingt sie (Figur 3) hiermit
    • eine zylindrische Form anzunehmen,
    • sich hydrodynamisch zu stabilisieren und
    • durch den zunehmenden Druck die Kristallisationsprozesse zu aktivieren.
    Bei der Aktivierung werden elastische Druckwellen im Schmelzevolumen 14 erzeugt. Es tritt eine Erhöhung der Dichte- und Energiefluktuation auf, wodurch die Kristallisationsentwicklung stimuliert wird. Dies setzt jedoch voraus, dass in der Gießkammer 3 ein fest-flüssiger Schmelzezylinder gebildet und eine homogene Druckverteilung erzielt wird.
    Der Temperaturausgleich erfolgt durch elektromagnetisches Rühren, wofür eine ringförmige Rühreinrichtung 12 um die Gießkammer 3 angeordnet ist. Es entsteht eine Kreisbewegung der schon mit dem kühlenden Pulver abgekühlten Schmelze und dadurch ein Temperaturausgleich im zylindrischen Materialvolumen, was zur Entwicklung von Kristallisationsbedingungen für runde (globularische) Kristalle führt. In der nächsten Verfahrensetappe erfolgt der Rückzug des Gegendruckkolbens aus der Position P9-2 auf der Ausgangsposition P9-1. Dadurch wird die Anschnittmündung 4 geöffnet (Figur 4), wobei nach dem Abstoppen das Kolbenprofil an das Mündungsprofil anschließt. Die schon temperaturausgeglichene und hydrodynamisch stabilisierte Suspension wird in den freien Kammerraum geschoben und an dem Gegendruckkolben 9 zur Anschnittmündung 4 umgelenkt. Diese Arbeitsetappe besteht somit darin, daß
    • im axial verschobenen Schmelzevolumen 14 homogene Druck- und Temperaturverhältnisse herrschen,
    • die hydrodynamisch stabilisierte Suspension die Anschnittmündung 4 erreicht, ohne einen Aufschlag eines stationären Freistrahls an eine senkrechte Wand der beweglichen Formhälfte hervorzurufen bzw. ohne daß der Strahl zerstiebt und
    • der Gießgang ebenso wie die Mündung laminar mit der Schmelze aufgefüllt werden.
    Eine kurzzeitige Druckreduzierung - wegen des Rückzuges vom Kolben 9 - wird mittels der Gießkolbenverschiebung in der nächsten Etappe ausgeglichen (Figur 5). Die Positionsänderung von P8-2 nach P8-3 endet vor der Anschnittmündung 4, wobei die Bewegung des Kolbens 8 mit dem Gegendruckkolben 9 gekoppelt ist. Die metallische Suspension füllt den Gießgang und die Mündung auf und wird durch hydromechanische Kolbeneinwirkung in die Druckgießkammer 5 hinausgedrückt. Da die Stirnfläche des Gießkolbens 8 genauso wie der Gegendruckkolben 9 ein konkaves, ellipsoidförmiges Profil hat, bildet sich im Zwischenraum ein kleiner, zylindrischer Materialbereich aus, der sich direkt unter der Anschnittmündung 4 und oberhalb des Verdichtungskolbens 10 in einem elasto-plastischen Zustand befindet. Dieser "Speicher" dient dazu, das schon kristallisierende Gußstück nachspeisen zu können. In der letzten Arbeitsetappe, die als das Nachverdichten des Endproduktes bezeichnet werden kann, wird eine senkrechte Verschiebung des Verdichtungskolbens 10 in der Mündungsrichtung durchgeführt und damit der Druckgießvorgang abgeschlossen. Der Verdichtungskolben verläßt seine Ausgangsposition P10-1 und verdrängt damit die zylindrische Metallportion über die Mündung 4, bis die neue Position P10-2 erreicht ist (Figur 6). Dadurch erfolgt eine Zuspeisung des schon kristallisierenden Gußstücks. Durch die in der Mündung befindliche Stirnfläche des Verdichtungskolbens wird das halberstarrte Gußstück vorgepreßt.
    In der Figur 7 ist eine wichtige erfindungsgemäße Ausgestaltung des Deformationsbereiches bei der Metalleinströmung dargestellt (øM-Durchmesser des zylindrischen Schmelzevolumens, øk-Durchmesser der durch Gießkolben- und Gegendruckkolbenkopffläche gebildeten Kontur). Die konturgeschlossene Ausführung gestattet eine wirbelfreie Druckgießformauffüllung, die Zuspeisung und das Nachverdichten des Endproduktes. Sie schafft ferner die Möglichkeit, den Metallverlust (Verkleinerung des Preßrestes) beträchtlich zu verringern.
    Erste Versuche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren haben anschaulich gezeigt:
    • Mit der räumlich beschränkten Gießkammer, die T-Konfiguration der Kolben, und den konturgeschlossenen Kolbenkopfflächen wird die Metalleinströmung verbessert.
    • Im Gußstück dominiert ein homogenes feinzelliges Gefüge.
    • Typische Gußfehler, wie verteilte Schrumpfungsporen, Lunker und undichtes Gefüge, werden durch die Zuspeisung und das Nachverdichten des kristallisierenden Gußstücks verringert. Der Dichteindex der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gußstücke erhöht sich auf das Fünffache.

    Claims (10)

    1. Druckgießverfahren zur Herstellung von Gußstücken aus Alu minium- und Magnesiumlegierungen, bei dem in einer horizontalen Gießkammer (3), die mit einem Gießkolben (8) ausgerüstet ist, von Anfang des Gießvorganges an ein Vakuum besteht und bei dem das in die Gießkammer eingebrachte Schmelzevolumen zum halberstarrten Zustand abgekühlt und mittels eines elektomagnetischen Feldes gerührt wird, sodann das Schmelzevolumen zum Einbringen in die Gießform beschleunigt und vor oder spätestens beim Erreichen der Anschnittmündung der Druckgießform unter Druck gesetzt wird,
      dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Schmelze vor der Beschleunigung in eine zylindrische Form gebracht und hydrodynamisch stabilisiert wird, wobei ein Temperaturausgleich und eine gleichmäßige Druckverteilung im zylindrischen Schmelzevolumen erfolgt und wobei das kristallisierende Metall nach dem Auffüllen der Druckgießform aus einem speziell dafür gebildeten Schmelzevolumen zugespeist und die Bildung des Gußstücks unter einem zusätzlichen gezielten Verdichtungsdruck durchgeführt wird.
    2. Druckgießverfahren nach Anspruch 1
      dadurch gekennzeichnet, dass in die Schmelze ein kühlendes Pulver eingeführt wird und dabei in der abgekühlten Schmelze Primärkristalle produziert werden, die die Schmelze in einen halberstarrten Zustand bringen.
    3. Druckgießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche
      dadurch gekennzeichnet, dass während der Abkühlung der Schmelze in der Gießkammer eine elektromagnetische Rührung bis zum vollständigen Temperaturausgleich des zylindrischen Schmelzevolumens erfolgt.
    4. Druckgießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche
      dadurch gekennzeichnet, dass nach der hydrodynamischen Stabilisierung die in eine zylindrische Form gebrachte flüssige Schmelze in Anschnittrichtung entlang der Gießkammer beschleunigt wird, bis das Schmelzevolumen in zusammengedrückem Zustand unterhalb der Anschnittmündung ein zusätzliches Schmelzevolumen bildet, das eine gemeinsame Achse mit der Mündung und einem Verdichtungskolben aufweist, wobei der Verdichtungskolben das Schmelzevolumen über die Mündung in die Druckgießform einpreßt, dabei mit seiner Stirnfläche bis in die Mündung vorfährt und das kristallisierende Gußstück vor seinem letztendlichen Erstarren in der Druckgießform zum Gußstück verdichtet.
    5. Druckgießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschleunigung des Schmelzevolumens in Richtung des Druckabfalls zwischen der Gegendruckkolbenfläche und der freien Fläche des Schmelzevolumens nach dem schnellen Rückzug des Gegendruckkolbens bis zur Anschnittmündung erfolgt, wobei der Gegendruckkolben, der ein konkaves, ellipsoidförmiges Profil am Kopfende aufweist, an der Anschnittmündung abgestoppt wird und dabei das Mündungsprofil bildet.
    6. Druckgießvorichtung zur Herstellung von Gußstücken aus Aluminium- und Magnesiumlegierungen mit einer einen Gießkolben (8) aufweisenden horizontalen Gießkammer (3), in der von Anfang an ein Vakuum angelegt ist und bei der das über ein Saugrohr (2) eingebrachte Schmelzevolumen zum halberstarrten Zustand abgekühlt und mittels eines elektomagnetischen Feldes gerührt wird, sodann das Schmelzevolumen zum Einbringen in die Gießform beschleunigt und vor oder spätestens beim Erreichen eine Anschnittmündung der Druckgießform unter Druck gesetzt wird,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Gießkammer (3) in T-Stück-Konfiguration ausgebildet ist und mit einem in Richtung des Gießkolbens (8) beweglichen Gegendruckkolben (9) ausgestattet ist, wobei unterhalb der Mündung (4) in der Gießkammer das T-förmige Anschlussstück angeordnet ist, dessen horizontale T-Achse mit der horizontalen Achse der Gießkammer übereinstimmt und in dessen vertikaler T-Achse ein Verdichtungskolben (10) angeordnet ist.
    7. Druckgießvorichtung nach dem vorhergehenden Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Gießkolbens (8) und des Gegendruckkolbens (9) gekoppelt sind, wobei zwischen den Kolben das zu stabilisierende Schmelzevolumen in zylindrischer Form eingeschlossen ist, und wobei der Verdichtungskolben (10) in der senkrechten T-Achse von einer unteren Position (Gießkammerboden) bis in eine obere Position (Anschnittmündung der Druckgießform)bewegbar ist.
    8. Druckgießvorichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7,
      dadurch gekennzeichet,
      dass im Saugrohr (2) der Gießkammer (3) eine Pulverdosiervorrichtung (11) angeschlossen ist.
    9. Druckgießvorichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6, 7 oder 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Anschnittmündung ein Mündungsprofil aufweist, das durch die Stirnflächen von Gießkolben (8), Gegendruckkolben (9) und Verdichtungskolben (10) gebildet wird und unterhalb der Mündung (4) ein zylinderförmiger Speicher für das von dem Verdichtungskolben nachzuspeisende Schmelzematerial vorgesehen ist.
    10. Druckgießvorichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
      dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen von Gieß- und Gegendruckkolben eine konkave ellipsoidförmige Profilierung aufweisen, wobei der Zwischenraum zwischen den Kolben zylinderförmig mit jeweils zwei Kugelabschnitten in den Kolbenstirnflächen ausgebildet ist.
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