Verfahren zur Verarbeitung einer Metalllegierung zu einem teilfesten/teilflussigen Formkörper

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung einer Metalllegierung (28) mit einer Liquidustemperatur und einer Solidustemperatur zu einem teilfesten/teilflüssigen Formkörper. Die Metalllegierung (28) wird in flüssigem Zustand bei einer Einfülltemperatur (T_Mo) in eine Form (10) mit einer im wesentlichen zylindrischen Formwand (12) gefüllt wird, wobei die Form (10) bei Beginn des Füllvorgangs eine unterhalb der Liquidustemperatur liegende Anfangstemperatur aufweist, die Form (10) bei einer oberhalb der Liquidustemperatur liegenden Starttemperatur der Metalllegierung (28) in eine exzentrische Rotationsbewegung versetzt und die Rotationsbewegung so lange aufrechterhalten wird, bis sich die Metalllegierung (28) auf eine dem im Formkörper gewünschten fest/flüssig-Verhältnis entsprechende, zwischen der Liquidustemperatur und der Solidustemperatur liegende Ausformtemperatur abgekühlt hat, und der Formkörper bei der Ausformtemperatur aus der Form (10) genommen wird. Zur Einstellung einer gewünschten Abkühlungsgeschwindigkeit der Metalllegierung (28) in der Form (10) werden die Dicke (d₁) der Formwand (12), der Werkstoff und die Anfangstemperatur der Form (10) so gewählt, dass die Enthalpieänderung der Metalllegierung (28) während der Abkühlung von der Einfülltemperatur auf die Ausformtemperatur kleiner ist als die für einen Temperaturanstieg der Form (10) von der Anfangstemperatur auf die Ausformtemperatur benötigte Wärmemenge.
Die Einstellung der die Abkühlungsgeschwindigkeit beeinflussenden Parameter der Form in Kombination mit der exzentrischen Rotation der Form führen zu einer optimalen kurzen Prozessdauer.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung einer Metalllegierung mit einer Liquidustemperatur und einer Solidustemperatur zu einem teilfesten/teilflüssigen Formkörper, bei welchem Verfahren die Metalllegierung in flüssigem Zustand bei einer Einfülltemperatur in eine Form mit einer im wesentlichen zylindrischen Formwand gefüllt wird, wobei die Form bei Beginn des Füllvorgangs eine unterhalb der Liquidustemperatur liegende Anfangstemperatur aufweist und die Metalllegierung so lange in der Form gehalten wird, bis sie sich auf eine dem im Formkörper gewünschten fest/flüssig-Verhältnis entsprechende, zwischen der Liquidustemperatur und der Solidustemperatur liegende Ausformtemperatur abgekühlt hat, und der Formkörper bei der Ausformtemperatur aus der Form genommen wird.

[0002] Aus Metalllegierungen lassen sich teilfeste/teilflüssige Formkörper mit thixotropem Verhalten herstellen. Aufgrund der thixotropen Eigenschaften können die Formkörper beispielsweise auf einer Druckgiessmaschine weiterverarbeitet werden.

[0003] Bei einem ersten bekannten Verfahren, dem sog. Thixocasting, wird eine Metalllegierung durch Stranggiessen zu einem Bolzen vergossen. Zur Erzeugung des für die thixotropen Eigenschaften erforderlichen feinkörnigen Gefüges wird die Metallschmelze im Erstarrungsbereich, d.h. zwischen Liquidus- und Solidustemperatur der Metalllegierung, kräftig gerührt, wobei sich vor allem elektromagnetische Rühreinrichtungen bewährt haben. Durch den Rührvorgang werden die sich bildenden Dendriten abgeschert bzw. derart zurückentwickelt, dass diese primär erstarrenden Festteilchen eine im wesentlichen globulitische Gestalt annehmen. Der erstarrte Bolzen wird zu Formkörpern aufgeteilt, welche nach Erwärmung auf eine zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Metalllegierung liegende Temperatur thixotrope Eigenschaften zeigen. Bei derart erwärmten Formkörpern enthält die Metalllegierung im thixotropen Zustand die zurückentwickelten dendritischen, primär erstarrten und im wesentlichen globulitischen Partikel in einer diese umgebenden Matrix aus flüssigem Metall.

[0004] Bei einem anderen bekannten Verfahren, dem sogenannten Rheocasting, wird kontinuierlich eine Metalllegierungsschmelze mit einem dem im Formkörper gewünschten fest/flüssig-Verhältnis entsprechenden Feststoffanteil erzeugt. Wie beim vorstehend beschriebenen Verfahren wird auch hier die Metallschmelze zur Erzeugung des für das thixotrope Verhalten erforderlichen feinkörnigen Gefüges im Bereich zwischen Liquidus- und Solidustemperatur der Metalllegierung kräftig gerührt. Das Rheocasting hat gegenüber dem Thixocasting zwar einen wesentlichen energetischen und daher kostenmässigen Vorteil, jedoch erfordern Rheocastinganlagen aufwendige und schwerfällige Verfahren, um ein koordiniertes Zusammenwirken mit einer nachfolgenden Giessmaschine zur Herstellung des Endproduktes sicherzustellen.

[0005] Bei einem aus der EP-A- 0 745 694 bekannten Verfahren wird eine Kristallisationskeime enthaltende Metalllegierung in eine wärmeisolierende Form gegossen. Nachdem die Form beispielsweise mit Luftdüsen entsprechend von aussen gekühlt und anschliessend geheizt worden ist, stellt sich das gewünschte fest/flüssig-Verhältnis in der Metalllegierung ein und der entstandene teilfeste/teilflüssige Formkörper wird der weiteren Verarbeitung zugeführt.

[0006] Bei einem in der WO-A- 01/07672 offenbarten Verfahren wird eine Metalllegierung in eine Form gegossen und auf eine Temperatur zwischen Liquidus und Solidus abgekühlt. Zur Ausbildung der gewünschten Gefügestruktur wird der Formkörper einige Zeit bei einer Temperatur zwischen Solidus und Liquidus gehalten. Hier stellt sich ein Temperaturgleichgewicht zwischen Metallschmelze und Form ein. Anschliessend kann ein gewisser Teil der Metallschmelze abgelassen werden, um das gewünschte fest/flüssig-Verhältnis in der Metalllegierung einzustellen. Der Prozess kann durch ein "Schütteln" der Form unterstützt werden.

[0007] Der Nachteil der beiden letztgenannten Verfahren liegt in einer verhältnismässig langen Prozessdauer, d.h. der Zeitdauer vom Einfüllen der Metalllegierung in die Form bzw. vom Bewegen der Metallschmelze bis zur Entnahme des Formkörpers aus der Form. Für eine rationelle Weiterverarbeitung müssen demzufolge mehrere Stationen zur Herstellung von Formkörpern bereitgestellt werden.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches mit einfachen Mitteln eine optimale Einstellung der Abkühlungsbedingungen erlaubt, so dass ein Formkörper in möglichst kurzer Zeit und ohne Ausbildung einer Randschale hergestellt werden kann.

[0009] Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass zur Einstellung einer gewünschten Abkühlungsgeschwindigkeit der Metalllegierung in der Form die Dicke der Formwand, der Werkstoff und die Anfangstemperatur der Form so gewählt werden, dass die Enthalpieänderung der Metalllegierung während der Abkühlung von der Einfülltemperatur auf die Ausformtemperatur kleiner ist als die für einen Temperaturanstieg der Form von der Anfangstemperatur auf die Ausformtemperatur benötigte Wärmemenge.

[0010] Die Endtemperatur der Form liegt also tiefer als die Ausformtemperatur, d.h. Form und Metalllegierung befinden sich nicht in einem thermischen Gleichgewicht. Die erfindungsgemässe Einstellung der die Abkühlungsgeschwindigkeit beeinflussenden Parameter der Form führen als Folge des bei der Ausformtemperatur herrschenden thermischen Ungleichgewichts zwischen Form und Metalllegierung zu einer optimalen und im Vergleich zum Stand der Technik kurzen Prozessdauer. Unter Prozessdauer wird hier und im folgenden die Abkühlungszeit der Metalllegierung von der Einfülltemperatur, oder, wenn die Metallschmelze bewegt wird, von der Starttemperatur der Bewegung auf die Ausformtemperatur verstanden. Die Ausformtemperatur ist die Temperatur des Formkörpers zum Zeitpunkt seiner Entnahme aus der Form.

[0011] Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der zeitliche Verlauf der Temperatur zur Bestimmung des Ausformzeitpunktes verwendet. Das Ausformen erfolgt dann, wenn in der Metalllegierung ein als Sollwert vorgegebenes Temperaturprofil und die als Sollwert vorgegebene Ausformtemperatur erreicht sind. Die Zeit, die bis zum Erreichen der Ausformtemperatur benötigt wird, um einen guten, homogenen Formkörper zu erhalten, hängt von der Legierungszusammensetzung ab.

[0012] Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der zeitliche Verlauf der Temperatur an einem festen Ort in der Formwand zur Bestimmung des Ausformzeitpunktes verwendet. Das Ausformen erfolgt dann, wenn ein als Sollwert vorgegebener Temperaturgradient und die als Sollwert vorgegebene Ausformtemperatur erreicht sind.

[0013] Die Anfangstemperatur der Form liegt bevorzugt zwischen Raumtemperatur und etwa 320°C.

[0014] Der Formkörper wird üblicherweise unmittelbar nach Erreichen der Ausformtemperatur aus der Form genommen und seiner Weiterverarbeitung zugeführt. Für den Fall, dass das Ausformen nicht sofort durchgeführt werden kann, beispielsweise beim Auftreten einer Störung in einer Produktionsanlage, ist es mit dem erfindungsgemässen Verfahren möglich, den Formkörper bei Erreichen der Ausformtemperatur durch Heizen der Form so lange auf der Ausformtemperatur zu halten, bis die Störung behoben ist.

[0015] Eine weitere Optimierung der Prozessdauer kann dadurch erzielt werden, dass die Metalllegierung in eine Bewegung versetzt und die Bewegung so lange aufrechterhalten wird, bis sich die Metalllegierung auf die Ausformtemperatur abgekühlt hat. Die Bewegung der Metalllegierung kann grundsätzlich mit jedem bekannten Mittel erzeugt werden, beispielsweise durch elektromagnetisches Rühren oder durch eine Bewegung der Form. Die Bewegung der Form hat die Aufgabe, eine Strömung in der Metallschmelze, oder später im teilflüssigen Brei, zu erzeugen. Das primäre Ziel ist eine gute Durchmischung, ohne Strudel oder Wirbel in der Metallschmelze hervorzurufen. Prozessbedingt sollte die Bewegung so geartet sein, dass sie möglichst bald nach der Formfüllung einsetzt, da die Viskosität der sich abkühlenden und zu einem Brei werdenden Metalllegierung stetig ansteigt und eine zielführende Bewegung immer schwerer zu erreichen ist. Die Bewegung der Form wird so eingestellt, dass die Metallschmelze zu Beginn nicht aus der Form schwappt, was beispielsweise mit einer geringeren Bewegungsintensität in der Startphase und einer Erhöhung der Intensität mit ansteigender Viskosität erreicht werden kann.

[0016] Eine optimale Prozessdauer ergibt sich dann, wenn die Form unmittelbar nach beendigter Formfüllung in eine exzentrische Rotationsbewegung versetzt und die Rotationsbewegung so lange aufrechterhalten wird, bis sich die Metalllegierung auf die Ausformtemperatur abgekühlt hat. Eine exzentrische Rotationsbewegung der Form heisst, dass die Achse der Form von einer Rotationsachse um ein Excentermass beabstandet ist und um diese rotiert, wobei die Form selbst nicht um ihre eigene Achse dreht.

[0017] Die Rotationsbewegung wird vorzugsweise im Bereich der Liquidustemperatur oder bei einer wenig oberhalb der Liquidustemperatur liegenden Starttemperatur der Metalllegierung gestartet, wobei die Startemperatur der Metalllegierung beispielsweise 5 bis 15°C über der Liquidustemperatur liegen kann.

[0018] Die Rotationsgeschwindigkeit liegt üblicherweise zwischen etwa 50 und 500 U/min und wird bevorzugt mit zunehmender Abkühlung der Metalllegierung wegen der ansteigenden Viskosität erhöht.

[0019] Die Rotationsbewegung, die sich über die gesamte Prozessdauer erstreckt, ist bevorzugt in wenigstens zwei, vorzugsweise in drei Zyklen aufgeteilt, wobei die maximale Rotationsgeschwindigkeit jedes Zyklus jeweils grösser ist als die Rotationsgeschwindigkeit des vorangehenden Zyklus. Zweckmässigerweise ist der Anfahrvorgang für jeden der Rotationszyklen derart, dass die maximale Rotationsgeschwindigkeit in einer minimalen Zeit, vorzugsweise nach einer Zeit von etwa 10 bis 20 s, erreicht wird.

[0020] Eine besonders gute Durchmischung der Metalllegierung mit optimaler Wärmeabfuhr in die Formwand ergibt sich durch die Kombination jedes Rotationszyklus mit einem Rüttelzyklus, wobei der Rüttelzyklus an den Rotationszyklus anschliesst oder der Rotationsbewegung überlagert wird.

[0021] Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden die ersten zwei Rotationszyklen innerhalb einer Gesamtzeit von 30 bis 50 s durchgeführt.

[0022] Der Rüttelzyklus umfasst eine Rüttelbewegung mit einer Schwingungsfrequenz von 2 bis 3 Hz bei einer Rüttelzeit von max. 10 s, vorzugsweise 1 bis 6 s.

[0023] Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich insbesondere Aluminiumlegierungen verarbeiten.

[0024] Hierbei kann die Legierung eine eutektische Solidustemperatur mit einem wesentlichen Volumenanteil an eutektischer Schmelze aufweisen. Derartige Legierungen gehören beispielsweise zum System Al-Si mit 2,5 bis 10 Gew.-% Si oder zum quasi-binären System Al-Mg₂Si mit 1,5 bis 4 Gew.-% Si und 2 bis 6 Gew.-% Mg.

[0025] Verarbeitet werden können aber auch Legierungen, die keinen eutektischen Schmelzpunkt aufweisen, wie beispielsweise eine Legierung vom Typ AlMg3Mn.

[0026] Zur Erzielung eines gleichmässigen Wärmeentzuges in im wesentlichen radialer Richtung kann die Wandstärke der Formwand im Bereich des Kopfes und des Bodens der Form gegenüber der Wandstärke des zwischen Kopf und Boden liegenden Bereichs vermindert sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Boden und den Kopf der Form zur Umgebung hin zu isolieren.

[0027] Um die Entnahme des Formkörpers aus der Form zu erleichtern, kann der Boden der Form aufklappbar ausgeführt sein. Der Formkörper kann dann durch den Boden oder durch den Kopf der Form entnommen werden,

[0028] Zur besseren Entnahme des Formkörpers aus der Form kann die Formwand vom Boden der Form zum Kopf hin konisch erweitert ausgebildet sein. Bei einer Form mit aufklappbarem Boden kann die konische Erweiterung der Formwand auch vom Kopf zum Boden verlaufen.

[0029] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Form ist diese in Längsrichtung geteilt und der Formkörper wird nach Trennung der beiden Formteile aus der Form genommen. Dies ermöglicht ein Öffnen der Form sowie eine Entnahme des Formkörpers beispielsweise mittels eines Roboterarmes auf eine solche Weise, dass der Formkörper horizontal in die Kammer einer Druckgiessmaschine eingeführt werden kann. Ein derartiges Handling ist wichtig, um die Deformation des Formkörpers durch seine eigene Schwerkraft ("Elefantenfuss") zu vermeiden, wenn der Formkörper vertikal aus der Form herausgelöst wird.

[0030] Das zeitabhängige instationäre Temperaturfeld in der Formwand kann zur Überwachung und Steuerung des Wärmeentzuges für die Bestimmung der optimalen Ausformtemperatur und damit der optimalen Prozessdauer von der Starttemperatur zur Ausformtemperatur verwendet werden.

[0031] Durch die Verwendung des funktionellen Zusammenhanges für eine minimale Prozessdauer t_pr

ΔH_M

Enthalpieänderung der Metallschmelze zwischen T_AM und T_EM

T_AM

Schmelzetemperatur bei Beginn der Rotationsbewegung (Starttemperatur)

T_EM

Ausformtemperatur des Formkörpers

d₁

Dicke der Formwand

T_W

Temperatur eines Formwandelementes während der Prozessdauer

T_AF

Anfangstemperatur in der Formwand (Vorwärmtemperatur)

Fo

Fourierkoeffizient

kann der gesamte Prozess auf der Basis des Fourierkoeffizienten der Wärmeleitung in der Formwand simuliert und gesteuert werden.

[0032] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in

• Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Form;
• Fig. 2 eine Seitenansicht einer geteilten Form;
• Fig. 3 die Draufsicht auf eine Anordnung mit einer zylindrischen Form bei exzentrischer Rotation.

[0033] Eine in Fig. 1 dargestellte Form 10 aus beispielsweise Stahl umfasst eine zylindrische Formwand 12 mit einer Symmetrieachse z₁. Die Form 10 ist einseitig von einem Boden 14 verschlossen. Der oben offene Kopf 16 ist mit einem Deckel 18 aus wärmeisolierendem Material abgedeckt. Der Boden sitzt in einem Fussteil 20 aus wärmeisolierendem Material. Im Innern der Form 10 befindet sich die fiüssig/fest-Metallmischung 28.

[0034] Zwischen Kopf 16 und Boden 14 ist die zylindrische Formwand 12 verdickt. Beispielsweise beträgt die Wandstärke d₁ der verdickten Formwand 12 5 mm, die Dicke d₂ des Bodens 14 und des Kopfes 16 3 mm.

[0035] Mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ergibt sich ein gleichmässiger und im wesentlichen in radialer Richtung verlaufender Wärmeentzug aus der Metallschmelze in die Formwand.

[0036] Die in Fig. 2 gezeigte Form 10 ist in ihrer Achsen- oder Längsrichtung geteilt ausgebildet. Zur Ausformung können die beiden Formteile 10a,b von einander getrennt werden.

[0037] Aus Fig. 3 ist der Einfluss einer exzentrischen Rotation auf die Bewegung der Metallschmelze in der Form 10 erkennbar. Die Form 10 ist beispielsweise auf einer Platte montiert. Die Symmetrieachse z₁ der Form 10 ist um ein Excentermass a gegenüber einer Rotationsachse z₂ beabstandet. Die Achse z₁ der Form 10 rotiert um die Achse z₂, wobei aber die Form selbst nicht um ihre eigene Achse dreht. In Fig. 3 ist für je einen Punkt an der Formwand 12 und im Zentrum der Form 10 die kreisförmige Bewegungsbahn eingezeichnet. Bei einem Radius r der zylindrischen Forminnenwand und einem Excentermass a, welches dem Kreisbahnradius entspricht, rollt die Forminnenwand auf einer Kreisbahn mit einem Radius R = r + a ab. Die beschriebene exzentrische Rotation der Form 10 führt zusammen mit einer auf diese Weise erzeugten Rotationsbewegung der Metallschmelze zu einer homogenen Durchmischung der Schmelze. Diese homogene Durchmischung betrifft einerseits die Legierungselemente, andererseits die Temperatur.

Beispiele

[0038] Die Vorteilhaftigkeit des erfindungsgemässen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Verarbeitung von vier verschiedenen Aluminiumlegierungen 1 bis 4 zu Formkörpern gezeigt. Die chemischen Zusammensetzungen der für die Versuche verwendeten Legierungen auf der Basis von Al 99,85 sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1

Leg.	Si [Gew.-%]	Mg [Gew.-%]	Mn [Gew.-%]	Fe [Gew.-%]	Ti [Gew.-%]
1	7,0	0,3	-	0,1	0,06
2	2,2	5,2	0,6	0,1	0,08
3	0,1	3,0	0,1	-	0,08
4	4,5	0,3	-	0,1	0,06

[0039] Die Legierungen wurden in schmelzflüssigem Zustand in eine zylindrische Form aus Stahl mit geschlichteter Innenwand gefüllt. Die Form wies einen Innendurchmesser von 100 mm und eine Wanddicke d₁ zwischen 2 und 7 mm auf, die Füllhöhe betrug 260 mm. Die Form wurde bei einigen Versuchen vor dem Einfüllen der Metallschmelze vorgewärmt. Sobald die sich von der Einfülltemperatur abkühlende Metallschmelze die Starttemperatur erreicht hat, wurde die Form in eine exzentrische Rotationsbewegung versetzt, welche bis zum Erreichen der Ausformtemperatur aufrecht erhalten wurde.

[0040] Die exzentrische Rotation wurde mit einem Excentermass von 6,5 mm unter Einhaltung der folgenden Rotationsbedingungen untersucht:

A

15 s bei 140 U/min + 15 s bei 200 U/min + 250 U/min bis zum Ausformen

B

konstant bei 140 U/min bis zum Ausformen

[0041] Beim Ausformen der Formkörper erfolgte eine Beurteilung der Qualität durch eine einfache mechanische Prüfung auf eine vorzeitig erstarrte Randschale, deren Auftreten zu einer verminderten Qualität der durch Weiterverarbeitung der Formkörper erzeugten Endprodukte führen kann. Die Verfahrensparameter und die mit diesen erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Leg.	TL [°C]	TS [°C]	d1 [mm]	TMo [°C]	TAM [°C]	TAF [°C]	Ro- tat.	tpr [s]	TEM [°C]	Qualität des Formkörpers
1	610	566	2	640	615	RT	A	420	585	sehr gut
1	610	566	5	640	615	RT	A	102 - 115	578 - 583	sehr gut
1	610	566	7	640	615	RT	A	52	586	Randschale
1	610	566	7	640	615	50	A	57	595	Randschale
1	610	566	7	640	615	150	A	70	590	sehrgut
1	610	566	7	640	615	200	A	85	590	sehr gut
1	610	566	7	640	615	300	A	140	590	sehr gut
2	620	594	5	660	635	RT	B	50 - 55	600	Randschale
2	620	594	5	660	635	200	B	85	600	Randschale
2	620	594	5	660	635	300	B	180	600	sehr gut
3	640	600	5	680	655	RT	B	35 - 40	633	sehr gut
3	640	600	2	645	645	RT	A	300	634	sehr gut
4	630	566	5	635	635	RT	B	58 - 70	607 - 610	sehr gut
TL Liquidustemperatur der Legierung
TS Solidustemperatur der Legierung
d1 Wandstärke der Form
TMo Einfülltemperatur der Metallschmelze in die Form
TAM Starttemperatur der exzentrischen Rotationsbewegung der Form
TAF Anfangstemperatur der Form (Vorwärmtemperatur)
tpr Prozessdauer (Zeitdauer vom Beginn der exzentrischen Rotationsbewegung bis zum Ausformen)
TEM Ausformtemperatur

Ansprüche

1. Verfahren zur Verarbeitung einer Metalllegierung (28) mit einer Liquidustemperatur (T_L) und einer Solidustemperatur (T_S) zu einem teilfesten/teilflüssigen Formkörper, bei welchem Verfahren die Metalllegierung (28) in flüssigem Zustand bei einer Einfülltemperatur (T_Mo) in eine Form (10) mit einer im wesentlichen zylindrischen Formwand (12) gefüllt wird, wobei die Form (10) bei Beginn des Füllvorgangs eine unterhalb der Liquidustemperatur (T_L) liegende Anfangstemperatur (T_AF) aufweist und die Metalllegierung (28) so lange in der Form (10) gehalten wird, bis sie sich auf eine dem im Formkörper gewünschten fest/flüssig-Verhältnis entsprechende, zwischen der Liquidustemperatur (T_L) und der Solidustemperatur (T_S) liegende Ausformtemperatur (T_EM) abgekühlt hat, und der Formkörper bei der Ausformtemperatur (T_EM) aus der Form (10) genommen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Einstellung einer gewünschten Abkühlungsgeschwindigkeit der Metalllegierung (28) in der Form (10) die Dicke (d₁) der Formwand (12), der Werkstoff und die Anfangstemperatur (T_AF) der Form (10) so gewählt werden, dass die Enthalpieänderung (ΔH_M) der Metalllegierung (28) während der Abkühlung von der Einfülltemperatur (T_Mo) auf die Ausformtemperatur (T_EM) kleiner ist als die für einen Temperaturanstieg der Form (10) von der Anfangstemperatur (T_AF) auf die Ausformtemperatur (T_EM) benötigte Wärmemenge (ΔH_F).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Temperatur T(t) zur Bestimmung des Ausformzeitpunktes verwendet wird, wobei das Ausformen bei Erreichen eines als Sollwert vorgegebenen Temperaturprofils in der Metalllegierung (28) und der als Sollwert vorgegebenen Ausformtemperatur (T_EM) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Temperatur T(t) an einem festen Ort in der Formwand (12) zur Bestimmung des Ausformzeitpunktes verwendet wird, wobei das Ausformen bei Erreichen eines als Sollwert vorgegebenen Temperaturgradienten dT_W/dt und der als Sollwert vorgegebenen Ausformtemperatur (T_EM) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangstemperatur (T_AF) der Form (10) zwischen Raumtemperatur und 320°C liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausformen des Formkörpers (12) unmittelbar nach Erreichen der Ausformtemperatur (T_EM) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (12) bei Erreichen der Ausformtemperatur (T_EM) durch Heizen der Form (10) auf der Ausformtemperatur (T_EM) gehalten und nach einer Haltezeit ausgeformt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung (28) in eine Bewegung versetzt und die Bewegung so lange aufrechterhalten wird, bis sich die Metalllegierung (28) auf die Ausformtemperatur (T_EM) abgekühlt hat.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (10) unmittelbar nach beendigter Formfüllung in eine exzentrische Rotationsbewegung versetzt und die Rotationsbewegung so lange aufrechterhalten wird, bis sich die Metalllegierung (28) auf die Ausformtemperatur (T_EM) abgekühlt hat.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsbewegung im Bereich der Liquidustemperatur (T_L) oder bei einer wenig oberhalb der Liquidustemperatur (T_L) liegenden Starttemperatur (T_AM) der Metalllegierung (28) gestartet wird, wobei die Startemperatur (T_AM) der Metalllegierung (28) bevorzugt 5 bis 15°C über der Liquidustemperatur T_L liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit zwischen 50 und 500 U/min liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit mit zunehmender Abkühlung der Metalllegierung (28) erhöht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsbewegung wenigstens zwei, vorzugsweise drei Zyklen mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende jedes Rotationszyklus ein Rüttelzyklus anschliesst oder der Rotationsbewegung überlagert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten zwei Rotationszyklen innerhalb einer Gesamtzeit von 30 bis 50 s durchgeführt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rüttelzyklus eine Rüttelbewegung mit einer Schwingungsfrequenz von 2 bis 30 Hz bei einer Rüttelzeit von max. 10 s, vorzugsweise 2 bis 6 s umfasst.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung (28) eine Aluminiumlegierung ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine eutektische Solidustemperatur mit einem wesentlichen Volumenanteil an eutektischer Schmelze aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zum System Al-Si mit 2,5 bis 10 Gew.-% Si oder zum quasi-binären System Al-Mg₂Si mit 1,5 bis 4 Gew.-% Si und 2 bis 6 Gew.-% Mg gehört.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung keinen eutektischen Schmelzpunkt aufweist und vorzugsweise vom Typ AlMg3Mn ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines gleichmässigen Wärmeentzuges in im wesentlichen radialer Richtung die Wandstärke (d₁) der Formwand (12) im Bereich des Kopfes (16) und des Bodens (14) der Form (10) gegenüber der Wandstärke (d₂) des zwischen Kopf und Boden liegenden Bereichs vermindert ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines gleichmässigen Wärmeentzuges in im wesentlichen radialer Richtung der Boden (14) und der Kopf (16) der Form (10) zur Umgebung hin isoliert sind.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entnahme des Formkörpers (12) aus der Form (10) der Boden (14) der Form (10) aufklappbar ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entnahme des Formkörpers (12) aus der Form (10) die Formwand (12) vom Boden (14) der Form (10) zum Kopf (16) hin konisch erweitert ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (10) in Längsrichtung geteilt ist und der Formkörper (12) nach Trennung der beiden Formteile (12 a,b) aus der Form (10) genommen wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper nach der Entnahme aus der Form (10) vorzugsweise in einer Druckgiessmaschine verformt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige instationäre Temperaturfeld in der Formwand (12) zur Überwachung und Steuerung des Wärmeentzugs für die Bestimmung der optimalen Ausformtemperatur (T_EM) und damit der optimalen Prozessdauer von der Starttemperatur (T_AM) zur Ausformtemperatur (T_EM) verwendet wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Prozess auf der Basis des Fourierkoeffizienten der Wärmeleitung in der Formwand (12) unter Verwendung des funktionellen Zusammenhanges für eine minimale Prozessdauer t_pr

ΔH_M   Enthalpieänderung der Metallschmelze zwischen T_AM und T_EM

T_AM   Schmelzetemperatur bei Beginn der Rotationsbewegung (Start-temperatur)

T_EM   Ausformtemperatur des Formkörpers

d₁   Dicke der Formwand

T_W   Temperatur eines Formwandelementes während der Prozessdauer

T_AF   Anfangstemperatur in der Formwand (Vorwärmtemperatur)

Fo   Fourierkoeffizient

simuliert und gesteuert wird.

Zeichnung