Die Erfindung betrifft ein Druckgießverfahren zur Herstellung von Gußstücken aus Legierungen mit thixotropen Eigenschaften mit einer Dosierung eines vorgegebenen Schmelzevolumens aus einem Schmelzebehälter über eine Schmelzeleitung und einen Gießgang in eine Gießkammer mit einem Gießkolben und einer Druckgießform, bei dem die in der Schmelze entstehenden Primärkristalle granuliert werden, das vorgegebene Schmelzevolumen abgekühlt, im elektromagnetischen Feld vermischt und in einem halberstarrten Zustand eingepresst wird, wobei während der Dosierung des vorgegebenen Schmelzevolumens die Gießkammer an die Druckgießform angedockt bleibt sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der WO 97/21509 bekannt. Dabei wird in einem Schneckenförderer ein vorgegebenes Schmelzevolumen unter kontrollierten Temperaturbedingungen in einen halberstarrten Zustand gebracht. In der Förderschnecke bilden sich hohe Scherkräfte aus, die die Schmelze im thixotropen Zustand halten sollen. Zwischen dem Ende oder Auslauf der Förderschnecke und der Gießkammer befindet sich jedoch ein Totraum, der bei der Formfüllung nicht entleert wird, so daß die darin enthaltenen Materialreste zu Inhomogenitäten der nach WO 97/21509 hergestellten Gußstücke führen.
Der sogenannte "halberstarrte Zustand" ist das Ergebnis einer Schmelzebearbeitung in der Gießkammer.
Das Verfahren nach EP 0 733 421 A1 führt zur Granulation von im vorgegebenen Schmelzevolumen entstehenden Primärkristallen. Nach Bearbeitung dieses Volumens durch Abkühlung und Rühren wird eine Schmelze im halberstarrten Zustand in die Druckgießform gefüllt.
Wird die Gießkammer aus dem Gießlöffel mit der Schmelze gefüllt, entsteht dort vom einfallenden, flüssigen Strahl nicht eine laminare, sondern eine turbulente Strömung. Diese Füllungsart der Gießkammer führt zu einer Gasaufnahme der Schmelze, die im Gußstück als Gasporosität zur Geltung kommt. Ferner besteht die Notwendigkeit, die Gießkammer von der Druckgießform abzudocken, um die Gießkammer mittels des Gießlöffels mit der Schmelze zu füllen. Dadurch kann die Suspension nicht den erforderlichen homogenen Zustand erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren sowie die zur Durchführung des Verfahrens bekannten Vorrichtungen derart weiterzuentwickeln, daß ein Erreichen des halberstarrten Zustandes unter kontrollierten Bedingungen ermöglicht wird, damit es als schon metallische Suspension mit einer gleichmäßigen Verteilung von fester Phase in die Gießkammer eingefüllt wird und von dort in den Formhohlraum der Druckgießform eingepresst werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmalen gelöst. Bei der Dosierung des vorgegebenen Schmelzevolumens ist die Gießkammer an die Druckgießform angedockt und die Schmelzedosierung erfolgt durch die Füllung einer Bearbeitungskammer, die mittels einer Schmelzeleitung und der Gießgänge mit einem Schmelzebehälter und der Gießkammer verbunden ist und die mit einem Dosierkolben versehen ist. Vorteilhafterweise wird in der Bearbeitungskammer ein geschlossenes Schmelzevolumen bearbeitet.
Daraus ergeben sich die folgenden Vorteile:
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß Prozeßformierung von metallischer Suspension schon in der Schmelzeleitung den Anfang nimmt. Dafür wird in die Schmelze auf dieser Strecke ein kühlendes Pulver eingeführt. Durch Erwärmen und Schmelzen des Pulvers gelingt es, die Temperatur des Schmelzevolumens zu reduzieren und jene Temperatur zu erreichen, die für den weiteren Prozeß erforderlich ist.
Es wurde erkannt, daß die Eigenschaften eines Gußstückes als Ergebnis des Ablaufs des verhältnismäßig raschen Kristallisationsprozesses in der Schmelze zu sehen sind, der sich zwischen dem für jede Legierung unterschiedlichen aber bekannten Temperaturintervall "Liquidus Solidus" abspielt. In diesem Temperaturintervall wird aber nicht nur das kristalline "Skelett" aufgebaut, sondern es ist auch der Verfahrensabschnitt - zusammen mit dem Temperaturintervall Überhitzungs-Liquidenstemperatur - wo beim Aufbau des kristallinen Gefüges des Gußstücks die im geschmolzenen Metall vorhandenen Defekte in das kristalline Gefüge des Gußstücks geprägt werden, die nach dem Erstarren als Gußfehler erkannt werden. In erster Linie handelt es sich dabei um Gasporositäten, Mikrolunker, Seigerungen und andere physikalisch-chemische und strukturelle Inhomogenitäten.
Die Untersuchung des Herstellungsproblems von qualitativ verbesserten Gußstücken unter Berücksichtigung des im bezeichneten Temperaturintervalls ablaufenden Kristallisationsprozesses zeigte, daß eine beliebige Veränderung, eine Verletzung bzw. ein kurzfristiges Anhalten des Kristallisationsvorgangs zur Verschlechterung des endgültigen Ergebnisses führt. Es wurde erkannt, daß die gewählten Kristallisationsbedingungen nur für ein geschlossenes Kristallisationsvolumen bewahrt werden können. Dies ist für Druckgießverfahren aus Legierungen mit thixotropen Eigenschaften und für Druckgießvorrichtungen von prinzipieller Bedeutung. Die Formgebung des Gußstückes wird im Temperaturintervall "Liquidus-Solidus" aus dem Material durchgeführt, das schon die rheologischen Eigenschaften besitzt. Dabei prägt sich ein solches Material aus, das das tatsächliche Potential des Werkstoffes wiederspiegelt und es bewahrt bei der Gefügeausbildung die ganzen Prozeßbesonderheiten.
Durch den Einsatz eines rotierenden Magnetfeldes wird das vorgegebene Schmelzevolumen mit dem kühlenden Pulver in der Schmelzeleitung vermischt und die entstehende metallische Suspension sowohl in der Bearbeitungs- als auch in der Gießkammer gerührt. Die Füllung der Druckgießform erfolgt mit der rotierenden metallischen Suspension. Der Vorzug dieser technologischen Ausgestaltung besteht darin, daß in der von Anfang an herausgebildeten metallischen Suspension durch die Rotation im Magnetfeld die allgemeine bzw physiko-chemische und strukturelle Homogenität festgelegt ist und ihre thixotrope Eigenschaft bis zum Prozeßende sichergestellt werden kann. Daß die Druckgießform mit der rotierenden metallischen Suspension gefüllt wird, ist von grundsätzlicher Bedeutung, um die Gußstücke möglichst endkonturnah durch die bessere Formfüllung zu erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren schließt also den gesamten Druckgießvorgang mit vier aufeinanderfolgenden Verfahrensphasen ein:
Mit Hilfe einer besonderen Ausgestaltung wird die ausgebildete homogene metallische Suspension mittels des Dosierkolbens aus der Bearbeitungskammer in die Gießkammer ausgestoßen. Die Durchführung dieser Verfahrensphase erfolgt durch die entsprechende Positionierung des Dosierkolbens und des Gießkolbens in Bearbeitungs- und Gießkammer.
Dieser Prozeßschritt und seine technische Umsetzung gehört zu den wichtigsten Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mittels der Veränderung der Dosierkolbenposition in der Bearbeitungskammer kann das vorgegebene Schmelzvolumen variiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip noch näher erläutert. Es zeigen
Bei der in Fig. 1 schematisch gezeigten Druckgießmaschine ist ein Schmelzbehälter (1) vorgesehen, der mittels einer Schmelzeleitung (2) und eines Gießgangs (3) mit einer Bearbeitungskammer (4) verbunden ist. Die Bearbeitungskammer (4) ist so in der Gießkammer (5) montiert, daß ein Gießgang (6) zwischen ihnen ausgestaltet ist. Jede der gezeigten Kammern wird mit Dosier- (7) und Gießkolben (8) entsprechend versehen. Die Schmelzeleitung (2) ist auch mit einer Pulverdosiervorrichtung (9) und einer elektromagnetischen Rühreinrichtung (10) ausgerüstet, die um Bearbeitungs- und Gießkammer ringförmig angeordnet ist.
Auf die zeichnerische Darstellung in Fig. 1 wird insoweit verwiesen.
Die Schmelze (11) gelangt aus dem Schmelzbehälter (1) mittels einer aufgehobenen Stopfenstange (12) in die Schmelzeleitung (2), wo sie mit dem kühlenden Pulver abgekühlt wird. Wie gezeigt, kommt das Pulver durch die Pulverdosiervorrichtung (9). Infolge des Abkühlungseffektes des eingeführten Pulvers liegt die Temperatur der Schmelze im Bereich Liquidustemperatur. Das bedeutet, daß die derart abgekühlte Schmelze bereits nach kurzer Zeit selbst Primärkristalle "erzeugt", die sich wegen der Rotation im ganzen Volumen gleichmäßig verteilen und globular kristalline Formen haben. Um die Vermischung dieser Substanzen zu erreichen, wird schon auf der Schmelzeleitungsstrecke ein rotierendes Magnetfeld (10) eingesetzt. Die rotierende, bearbeitete Schmelze fließt in die Bearbeitungskammer (4), die einen Dosierkolben (7) mit einer Ausgangsposition (P1-1) besitzt. Der Gießgang (6) zwischen der Bearbeitungs- und Gießkammer wird gleichzeitig mit dem Gießkolben (8) abgeriegelt. Nachdem die Bearbeitungskammer (4) mit dem vorgegebenen Schmelzevolumen eingefüllt ist, wird der Gießgang (3) zur Schmelzeleitung (2) mittels der Verschiebung des für Bearbeitungskammer (4) vorgesehenen Dosierkolbens (7) in Position (P1-2) zugemacht. In der geschlossenen Kammer wird der Bearbeitungsprozeß fortgesetzt bzw. die schon abgekühlte Schmelze wird mit dem magnetischen Feld (10) rotiert und bis zum Endzustand der homogenen metallischen Suspension (13) gebracht. Unterscheidungsmerkmale von diesem Zustand sind die homogene Verteilung von exogenen und endogenen kristallinen Formen in der thixotropen metallischen Matrix, sowie das Abwesen von groben Temperaturfluktuationen. Auf diese Weise tritt in der Bearbeitungskammer (4), und zwar kurzfristig, die thixotrope Suspension auf, deren Primärkristalle schon granuliert sind und das Gußgebilde verfeinert ist. In diesem Zustand wird sie mit dem vorgesehenen für die Bearbeitungskammer (4) Dosierkolben (7) nach der Gießkammer (5) ausgestoßen und dafür der Gießkolben (8) auf andere Position (P2-2) versetzt, damit sich der Gießgang (6) befreien läßt. Im Fall des Druckgießvorgangs mit einer vertikalen Anordnung von Druckgießform (14) wird mit der nach unten Gießkolbenversetzung ein entsprechender Raum in Gießkammer (5) eingerichtet, um die homogene thixotrope metallische Suspension aufzunehmen. Danach wird der Gießgang (6) mittels des Dosierkolbens (7) abgeriegelt (P1-3), um das Einpressen der metallischen Suspension durch die Gießkolbenbewegung in der Gießkammer (5) durchzusetzen. Die rotierende Einwirkung des Magnetfelds auf die metallische Suspension wird dabei bis zum Ende des Druckgießverfahrens gedauert und führt dazu, daß die Ausfüllung von Druckgießform durch eine vorwärts rotierende Bewegung der thixotropen metallischen Suspension vorgenommen wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es ebenso möglich, die Bearbeitungskammer so anzuordnen, um Gußstücke mit einer waagerechten Anordnung von Druckgießform zu erzeugen, sowie die Bearbeitungskammer mittels Vakuum mit der Schmelze einzufüllen.
Erste Versuche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren haben deutlich gezeigt, daß sich mit einer zusätzlichen und solchermaßen angeordneten Bearbeitungskammer (4) die Funktionsfähigkeit des gesamten Druckvorgangs beträchtlich erhöht und typische Gußfehler wie Gasausschüsse, Lunker, strukturelle Inhomogenität nicht auftreten sowie daß dies nur durch eine Isotropie von thixotropen Eigenschaften der metallischen Suspension sichergestellt wird.